4. Почему растворимости углерода в феррите и аустените различаются?

Растворимость углерода в железе:

На диаграмме состояния системы Fe-C зависимость растворимости углерода в железе от температуры описывается линией ликвидус в области заэвтек-тических сплавов (C'D'). При температурах 1153 – 2100^оС растворимость углерода составляет 4,26 – 7,0%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры можно описать уравнением

где [C]_max – растворимость углерода в жидком железе, %.

Согласно уравнению (9.1) при 1600^оС растворимость углерода в железе составляет 5,75%.

Исходя из уравнения (9.1) для реакции

Из уравнения (9.3) видно, что растворение углерода в железе является слабой эндотермической реакцией.

Определение растворимости углерода в железе приведенным выше методом нельзя признать надежным, т.к. очень трудно зафиксировать в твердой пробе все количество углерода, содержащегося в жидком металле. Более надежным способом определения термодинамических параметров реакции (9.2) является комбинирование хорошо изученных реакций газификации графита и растворенного в металле углерода

Если предполагать, что реакция (9.6) протекает в прямом направлении, а реакция (9.4) – в обратном, результат последовательного протекания обеих реакций будет описываться уравнением (9.2), для которого

Теплоты растворения углерода в жидком железе, найденные различными способами, несколько различаются. Но, качественно они хорошо согласуются и свидетельствуют о том, что реакция (9.2) является слабой эндотермической реакцией.

Рисунок 8. Влияние компонентов расплава на растворимость углерода в сплавах железа при 1600^оС

Влияние третьих элементов на величину растворимости углерода в железе может быть охарактеризовано при помощи рисунка 8. В присутствии карбидообразующих элементов (Mn, Cr, V, Nb) растворимость углерода в железе увеличивается. При наличии в расплаве примесей, которые образуют химические соединения с жидким железом (Si, P, Al, S, Ni) – уменьшается. Поэтому в чугунах и ферросплавах содержание углерода существенно различается, даже если в процессе их производства происходит насыщение металла углеродом. Так, содержание углерода составляет: в высокоуглеродистом ферромарганце и феррохроме – более 6,5%; в обычном передельном чугуне – 4,2 – 4,5%; в высокофосфористом чугуне ~ 3,6%; в 10% ферросилиции ~ 2%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры и содержания других примесей свидетельствует о том, что раствор углерода в железе не является идеальным.

Рисунок 9. Зависимость величины коэффициента активности углерода в жидком железе от концентрации углерода при 1600^оС

Если в качестве стандартного состояния при описании термодинамических свойств раствора принять однопроцентный раствор, подчиняющийся закону Генри, характер зависимости величины коэффициента активности углерода от концентрации его в расплаве будет соответствовать показанному на рисунке 9. Из рисунка видно, что большие значения коэффициента активности углерода в жидком железе наблюдаются в области высоких его концентраций, близких к насыщению. При низких и средних концентрациях углерода ([C]<1%) величина коэффициента его активности близка к единице. Поэтому при анализе реакций окислительного рафинирования применительно к условиям доводки плавки в сталеплавильных агрегатах активность растворенного в металле углерода с достаточной для практических целей точностью можно заменить его концентрацией. Такая замена наиболее оправдана, когда углерод в окислительном периоде рафинирования является единственной примесью и его концентрация не превышает 1%.

В качестве возможных форм существования углерода в металле в научно-технической литературе указывают ион C⁴⁺, группировки атомов типа Fe_nC (Fe₃C), графит.

На свойства готовой стали большое влияние оказывает растворимость углерода в твердом железе, которая существенно меняется в зависимости от модификации железа и температуры. Растворимость углерода в  -Fe при 1130^оС составляет около 2%, в a-Fe при 723^оС – 0,03 – 0,04%, в a-Fe при комнатной температуре – менее 0,01%. Таким образом, практически все количество растворенного в жидком металле углерода в процессе затвердевания и охлаждения до комнатных температур выделяется из пересыщенного раствора в виде графита или цементита.

Растворимости углерода в феррите и аустените:

Рисунок 10 – Диаграмма железо-углерод

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный a-феррит и высокотемпературный d-феррит

Низкотемпературный a-феррит (феррит) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо, которое имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК решетка). Предельная растворимость углерода в феррите равна 0,02%, при 723°С (точка Р на рисунке 8). При понижении температуры до 20 °С, растворимость углерода в феррите уменьшается до 0,01%

Феррит мягок (твердость по Бринелю 70-80 ед.), обладает большим относительным удлинением (до 40%). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых однородных зерен.

Высокотемпературный d-феррит – твердый раствор внедрения углерода в d-железо которое имеет ОЦК решетку. Максимальная растворимость углерода в d-феррите равна 0,01% при 1492°С (Точка Н).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в железо которое имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК решетка). Максимальная растворимость углерода в аустените равна 2% при 1130°С (Точка Е). При температуре 723°С аустенит содержит 0,8% углерода (точка S).

Цементит – химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fe₃C содержащий 6,67% углерода, имеет сложную ромбоэдрическую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит обладает высокой твердостью (твердость по «Бринелю» 800 ед.) и хрупкостью. Цементит является метастабильной фазой, т.е. при нагревании до высокой температуры он становиться нестабильным и распадается на стабильные фазы аустенит и графит.

По структуре цементит различают:

Первичный Ц – кристаллизуется из жидкости при температуре, соответствующей линии СD. Под микроскопом наблюдается в виде светлых пластин

Вторичный Ц – образуется при выделении углерода из аустенита при понижении температуры, от 1130 до 723 °С (линия ЕS). Под микроскопом в сталях с содержанием более 0,8% 0С цементит вто­ричный наблюдается в виде сетки по границам зёрен

Третичный Ц – образуется при выделении углерода из феррита при температурах ниже 723°С. Хорошо наблюдается в сталях с содержанием 0,01…0,02% С в виде отдельных островков по границам зерен феррита (рис.4б).

Графит – углерод в свободном состоянии, является стабильной фазой.

Двухфазные составляющие

В системе железо - углерода имеются две двухфазных структурных составляющих: перлит и ледебурит.

Вывод: Растворимость углерода в аустените, на порядок выше (0,8%), чем в феррите (0,02%), при одинаковой температуре в 723°С. Так же в аустените больше диапазон температур, (723°С – 1130°С) при которых линейно возрастает растворимость углерода, до 2%, Феррит же напротив, имеет 2 точечных диапазона температур, это высокотемпературный феррит­–1492°С и низкотемпературный феррит–723°С при которых растворимость углерода подымается не выше 0.02%. Из чего делаем вывод что Аустенит более насыщен углеродом, чем феррит, и в по пункту растворенности углерода выигрывает безоговорочно.