1.4.3. Структурные составляющие системы железо-углерод

Как было отмечено выше, углерод с железом могут реагировать друг с другом как физически, так и химически. Поэтому в системе Fе - С в зависимости от типа взаимодействия компонентов будут существовать следующие фазы: твердые растворы внедрения, химические соединения и механические смеси, а также чистые компоненты железо и углерод.

Степень растворимости углерода в железе определяется первоначальной структурой кристаллической решетки металла.

Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка -железа имеет пустые места (поры) в середине каждого ребра, их двенадцать. Диаметр его составляет 0,62 Å. Если сравнить данное значение с таковым для углерода (0,77 Å), то можно увидеть, что оно практически недоступно для внедряющегося в железо углерода. Поэтому растворимость данного неметалла в-железе очень низка. При 727Св железе растворяется лишь около 0,02 % углерода. От 1392 до 1499Смаксимальная предельная растворимость углерода составляет 0,1 %. При охлаждении раствора до комнатной температуры данное значение снижается до 0,006 %.

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка -железа в отличие от ОЦК располагает всего одной порой, но с большим диаметром – 1,02 Å. Это позволяет разместиться внедряемому ядру углерода в ней, слегка исказив ее, вызвав небольшое увеличение параметров. При 1147Спредельная растворимость углерода в-железе составляет 2,14 %, а при 727Слишь 0,8 % (рис. 1.33).

а

б

Рис. 1.33 - Схема структуры твердого раствора внедрения: а– при полном заполнении всех пор;б– аустенита

Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в -железе называютферритом(),а в-железе –аустенитом().Феррит получил свое название от латинского наименования железа – «Ferrum». Различают низкотемпературный-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Углерод в решетке феррита располагается в центре объема куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Твердость и механические свойства феррита близки к таковым технически чистого железа (_в= 250 МПа,_0,2= 120 МПа,= 50 %,= 80 %, НВ 80 – 90 кгс/мм²или 800 – 900 МПа). Они зависят от количества элементов, присутствующих в нем (многие химические элементы образуют с ферритом твердые растворы замещения).

Аустенит был назван так в честь английского ученого Роберта Аустена, который занимался исследованиями структуры составляющих системы железо - углерод и разработкой вариантов ее диаграммы состояния. Углерод в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки (рис. 1.30, б). Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм²или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна.

Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе₃С, Fе₂С, FеС и другие. Наиболее распространенным и широко применяемым из них является карбид железа среднего составаFе₃С. Стехиометрическое соотношение элементов в нем соответственно равно 3 : 1. Концентрация углерода составляет 6,67 % масс. Кристаллическая решетка карбида железа очень сложная. Она представляет собой орторомбическую структуру с плотной упаковкой структурных единиц (в элементарной ячейке расположено 12 ядерных остовов железа и 4 углерода) и имеет следующие параметры: а = 6,726 Å,b= 5,077 Å,c= 4,515 Å. Характер связи между ядрами железа чисто металлический, а между железом и углеродом ионно-металлический с преобладанием металличности и они оба ведут себя как металлы (рис. 1.34).

Такое строение приводит к тому, что он проявляет металлические признаки: блеск, высокая электропроводность, уменьшающаяся с повышением температуры, легкость образования твердых растворов с металлами. Данное соединение обладает высочайшей твердостью, сравнимой только с алмазом, он легко царапает стекло (НВ более 800 кгс/мм²), но чрезвычайно низкой практически нулевой пластичностью (большой хрупкостью), значительной жаропрочностью и обычно более высокой температурой плавления, чем исходный металл. Эти свойства также являются следствием его особого кристаллического строения. Благодаря своей высокой твердости он был назван цементитом. Из-за его термической и химической неустойчивости температура плавления карбида железа точно не определена в связи с возможностью его распада до чистых элементов: железа и углерода в виде графита. Она принимается примерно равной 1500С(1650Стеоретическая). Однако данный процесс распада имеет важное практическое значение при производстве промышленных чугунов, что будет описано в соответствующих разделах.

Рис. 1.34 - Кристаллическая структура цементита

Аллотропных видоизменений карбид железа не имеет. До 210 Сцементит ферромагнитен, выше данной температуры он теряет магнитные свойства. Карбид железа способен образовывать твердые растворы замещения, в которых углерод обменивается на такие неметаллы, как азот или кислород, а железо замещается металлами: хромом, вольфрамом, марганцем и другими. Их называют легированными цементитами и описывают брутто-формулой М₃С, где буквой М обозначают железо или другие металлы-заместители.

Рассмотренные нами структурные составляющие являются однофазными. В системе железо-углерод наряду с ними при затвердевании сплавов могут формироваться и двухфазные структуры. Это ледебурит и перлит.

Ледебурит- механическая смесь аустенита и цементита (по имени немецкого ученого А. Ледебурга), описывается -+Fe₃C. Он образуется в процессе эвтектического превращения при 1147С. Концентрация углерода в нем 4,31 %. По своей структуре он представляет собой чередующиеся пластинки аустенита и цементита. При температурах ниже 727Саустенит в этой смеси изотермически трансформируется в перлит. Ледебурит такого состава называется низкотемпературным.

Перлит – грубая механическая смесь феррита и цементита, обозначающаяся -+Fe₃C, с межпластинчатым расстоянием 510^-7- 710^-7м, имеет перламутровый цвет (отсюда и название), концентрация углерода 0,8 % масс. Он является продуктом эвтектического распада аустенита при 727С. Структура его также как и ледебурита состоит из следующих друг за другом пластинок его составляющих: а именно, феррита и цементита (темные полосы - цементит, светлые – феррит) (рис. 1.35).

Рис. 1.35 - Структура перлита