Диаграмма железоуглеродистых сплавов и их структура

При кристаллизации чистого железа образуется 2 аллотропные его формы, отличающиеся друг от друга строением своих кристалических решеток и свойствами.

При температуре 1539⁰С образуется Fe_δ, при температуре 1401⁰С Fе_γ, при 910°С Fе_β , при 768°С Fе_α. Каждая из аллотропных форм железа может образовывать с углеродом структурные составляющие в виде твердых растворов, механических смесей и химических соединений. Эти структурные составляющие можно увидеть под микроскопом, приготовив шлиф соответствующего сплава. Твердые растворы и хим. соединения, также как и чистые компоненты, состоят из кристаллов одного вида и поэтому являются однофазными составляющими. Механические смеси состоят из различных кристаллов и поэтому являются многофазными.

К однофазным структурным составляющим относятся феррит, аустенит, цементит и графит.

Структурные составляющие сплавов.

В зависимости от концентрации углерода и температуры железоуглеродистые сплавы содержат следующие структурные составляющие (см. рис.2.2.).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Кристаллическая решетка феррита - объемно-центрированный куб. максимальное количество растворенного углерода при 20⁰С- 0,006%, при 727°С – 0,02%. С увеличением температуры растворимость угле­рода в Fе_α-повышается. Феррит обладает магнитными свойствами и пластичен. Твердость феррита по НВ – 70-80.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Кристаллическая решетка - гранецентрированный куб. Максимальная растворимость углерода в γ- железе наблюдается при 1147°С -2,14%. Аустенит не магнитен и имеет меньше объем, чем феррит.

Цементит /карбид железа/ - химическое соединение состава. Fе₃C. По мacce в нем 6,67% углерода, остальное железо. Цементит хрупкое, твердое соединение (HV =800), царапает стекло. Цементит может выделится при охлаждении жидкого расплава железа с углеродом (первичный цементит), при охлаждение аустенита (вторичный цементит), при охлаждении феррита (третичный цементит).

Графит —одна из разновидностей углерода, получается при очень медленном охлаждении жидкого расплава.

Перлит - механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита. Перлит содержит 0,8% углерода и образуется в результате распада аустенита по реакции: Fе_γ(С)_0,8→Fе_α(С)_0,025 +Fе₃С. В зависимости от формы цементита перлит бывает пластинчатым и зернистым.

Ледебурит - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся при температуре 1147°С и содержащая 4,3% угле­рода, при температуре выше 727°С состоит из цементита и аустенита, при более низкой температуре - из перлита и цементита.

Изменение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и их состава изучают по диаграммам состояния.

Для построения диаграмм состояния по оси абсцисс откладыва­ется процентное содержание компонентов от 0 до 100, а по оси ординат - температура. Диаграмма железа и углерода может отражать образование структуры графита или цементита в зависимости от ско­рости охлаждения сплава. В настоящей работе мы рассматриваем диаграмму "железо -цементит" (рис .2.2 ). В зависимости от увели­чения концентрации в сплаве углерода меняются его механические свойства: твердость возрастает, а пластичность падает (рис.2.3).

Рис.2.3. Зависимость свойств сплавов железо–углерод от концентрации углерода.

Сплавы системы «железо-углерод» делят на техническое железо, стали, чугуны.

Железо - сплавы, содержащие менее 0,025% углерода. Структура-феррит.

Стали - сплавы, содержащие углерода от 0,025 до 2%. Стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат до 0,8% углерода. Структура: фер­рит и перлит. С увеличением углерода количество перлита увели­чивается, а феррита уменьшается.

Эвтектоидные стали состоят из одного перлита. Перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение. Темные пластики-тени от выступающих после травления участков цементита.

Стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, называются заэвтектоидными. Структура: перлит и вторичный цементит, выделяющийся из аустенита по границам зерен в виде сетки.

Чугуны - железо-угдеродистые сплавы, содержащие углерода более 2%. -

Белые чугуны - в них весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fе₃С. Белый чугун имеет излом серебристого цвета, имеет большую хрупкость и твердость. Белые чугуны могут быть доэвтектические (углерода до 4,3%), эвтектические (4,3%), заэвтектические (углерода более 4,3%).

Серый чугун - в нем графит содержится в свободном состоянии в виде пластинок, что придает ему серый цвет. Большая часть углерода в чугуне выделяется в виде графита. Свойства серых чугунов определяются как структурой металлической основы, так и фор­мой графитовых включений.

По степени графитизации, количеству феррита и перлита раз­личают следующие виды серых чугунов: ферритный серый чугун, ферритно-перлитный серый чугун, перлитный серый чугун.

Меняя скорость кристаллизации или вводя различные модифи­каторы в жидкий чугун, можно получить графитовые включения в ви­де пластин (обычный серый чугун), хлопьев (ковкий чугун) или шаровидной формы (высокопрочный чугун). Шаровидная форма графита наиболее выгодна, так как в этом случае чугун имеет максимальные прочностные характеристики.