Тема №3: Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов.

Эта диаграмма имеет большое значение среди других диаграмм, поскольку даёт представление о структурно фазовом состоянии важнейших материалов в современной технике.

3.1. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

В сплавах железа с углеродом могут образовываться следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и графит. Феррит и аустенит являются твёрдыми растворами углерода в железе. Но железо обладает полиморфизмом, т.е. в разных температурных интервалах имеет различную кристаллическую структуру.

До градусов железо имеет объемно-центрированную кубическую структуру (ОЦК) – этожелезо. В интервале температур отжелезо имеет гранецентрированную кубическую структуру (ГЦК) – этожелезо.

В интервале температур от железо опять ОЦК структура. Однако периоды этой решётки несколько больше чем ужелеза, такое железо называетсяжелезо.

Феррит () – это твёрдый раствор внедрения углерода вжелезо. Растворимость углерода вжелезе крайне низкая, максимум 0,02% по массе при температуре. С понижением температуры растворимость углерода вжелезе (феррите) падет и при комнатной температуре составляет 0,006% по массе. По этой причине феррит можно считать практически чистым железом. Как и чистое железо, феррит является очень мягкой и пластичной фазой. Твёрдость его изменяется в приделах от 80 до 100 единицHB по Бринеллю, в зависимости от содержания углерода. Поскольку железо также как ижелезо имеет ОЦК структуру, то твёрдый раствор внедрения углерода вжелезо также называют ферритом. Но этот феррит, в отличии от первого, называютвысокотемпературным ферритом, поскольку наблюдается при высоких температурах.

Аустенит (или А). Это твёрдый раствор углерода вжелезе, т.е. в железе с ГЦК структурой. Растворимость углерода вжелезе значительно выше чем вжелезе. Максимальная растворимость составляет 2,14% по массе при температуре(в 100 раз больше чемжелезе). С понижением температуры растворимость углерода вжелезе (аустените) падает и достигает 0,8% по массе при температуре. Аустенит, если его застабилизировать при комнатной температуре, то это также мягкая, пластичная фаза, но при этом в 2 раза твёрже феррита (160-200HB).

Цементит (, Ц). Это химическое соединение железа с углеродом, т.е. карбид железа. Содержание углерода в цементите составляет 25% атомных масс или 6,67% по массе. Цементит обладает высокой твёрдостью и хрупкостью. Твёрдость его достигает 800 единицHB (что в 10 раз больше чем у феррита).

Различают первичный, вторичный и третичный цементит (). Это тот же самый цементит, отличие заключается в происхождении.

Первичный цементит образуется из жидкого расплава при его кристаллизации.

Вторичный цементит выпадает из аустенита по причине уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры.

Третичный цементит выпадает из феррита, по причине снижения растворимости углерода, с уменьшением температуры.

Цементит является неустойчивой (метастабильной) фазой. При нагреве и длительной выдержке он распадется на феррит и графит, который является более стабильной фазой.

Графит (Г). Это чистый углерод гексагональной слоистой структурой. Графит отличается малой прочностью и пластичностью, он мягкий и хрупкий. Температура плавления графита . Графит обычно образуется в сплавах железа с высоким содержанием углерода, т.е. в чугунах при особых условиях формируется как правило цементит, который хоть и является метастабильной фазой, но по кинематическим соображениям его образование является более вероятным чем образованием графита.

Кроме четырёх выше перечисленных фаз, в железо-углеродистых сплавах выделяют ещё две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит, которые по сути является механическими смесями двух фаз.

Перлит (П) – это механическая смесь феррита с цементитом. Это эвтектоид системы железо-углерод, который образуется из твёрдой фазы (аустенита) при температуре . Содержание углерода в перлите 0,8% по массе. Он может иметь пластинчатую или зернистую структуру. Зернистая структура придаёт лучшие механические свойства.

Ледебурит (Л) – это механическая смесь аустенита с цементитом. Это эвтектика, которая образуется из жидкого расплава при температуре . Содержание углерода в ледебурите 4,3% по массе. В процессе охлаждения при температуреаустенит, входящий в состав ледебурита, становится неустойчивым и превращается в перлит по средствам эвтектоидной реакции. По этому при температурах нижеледебурит представляет смесь перлита с цементитом.