Тема 2. Железо и сплавы на его основе

2.1. Диаграмма состояний системы железо-углерод

Чистое железо плавится при температуре 1539⁰С. При охлаждении расплава ниже этих температур, железо затвердевает, формируя кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая сохраняется до 1392⁰С. В температурной области от 1392⁰C до 919⁰С устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392⁰С обе формы кристаллов железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же картина наблюдается и при 911⁰С, устойчивой кристаллической решёткой вновь становится решётка ОЦК.

Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.

Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).

Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.

Радиус атома, который может быть размещён в октаэдрической поре решётки ГЦК без её деформирования, составляет ~ 0,41 радиуса атома железа, то есть примерно 0,52×10^-10 м. Октаэдрические поры в решётке ОЦК имеют размеры равные 0,154 от размеров атомов железа, т.е. не превышают 0,2×10^-10 м, в то время как радиус атома углерода равен 0,77×10^-10 м. Следовательно, размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.

Раствор углерода в ОЦК – железе называют ферритом. Различают α, b и d– ферриты. Области их устойчивости представлены на диаграмме состояний железо-углерод.

Раствор углерода в железе, имеющем ГЦК – решетку, называется аустенитом. Линия предельной растворимости углерода в аустените при различных температурах соответствует линии SE на диаграмме. При 1147⁰С достигается максимальная растворимость углерода в аустените, равная 2,14 %. Минимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при температуре 727⁰С и составляет 0,83%. При температуре ниже 727⁰С аустенит неустойчив и о равновесной растворимости в нём углерода говорить не приходится.

Из рассмотрения диаграммы железо-углерод следует, что температуры полиморфных превращений железа заметно смещаются при растворении в нём углерода.

При добавлении других компонентов также имеет место изменение температур превращений. Но следует отметить, что в сплавах полиморфные и фазовые превращения осуществляются в интервале температур, а в чистых металлах – при определенных температурах.

2.2. Превращения, происходящие в аустените при его нагреве и охлаждении

Область устойчивых состояний аустенита на диаграмме состояний обозначена буквами NJESOG и, следовательно, превращения его зависят от состава стали.

Рассмотрим сначала превращения аустенита, содержащего 0,83 % углерода. При нагреве сплава от температуры 727⁰С до 1350⁰С сохраняется решётка ГЦК и происходит лишь его термическое расширение.

При охлаждении образца ниже 727⁰С происходят изменения структуры сплава, обусловленные изменением растворимости углерода и распадом аустенита на фазовые составляющие, относительно устойчивые при соответствующих температурах, т.е. на феррит (α-феррит) и цементит, представляющий собой химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C), содержание углерода в котором составляет ~ 6,7 % по массе. Максимальная растворимость углерода в α-железе при 727⁰С составляет всего лишь 0,023 % и снижается до 0,006 % при комнатной температуре. В результате изменения растворимости углерода в феррите происходит старение феррита и его упрочнение.

Выделение цементита при распаде аустенита также сопряжено с упрочнением сплава, которое тем больше, чем более мелкими являются частицы цементита. В свою очередь их размеры зависят от температуры, при которой выделяется основная масса Fe₃C.

Скорость распада аустенита на феррит и цементит максимальна при температуре близкой к 550⁰С.

Так как феррит и цементит имеют больший объём, чем аустенит, превращение А_s®α_p + Ц_к, сопровождается увеличением объёма. Приведённую запись следует читать так: аустенит, по своему составу соответствующий точке S диаграммы состояний, распадается на α-феррит состава точки Р и цементит состава соответствующего точке К.

На фазовое изменение объёма накладываются температурные изменения размеров кристаллов различной природы.

Поскольку скорость превращений зависит от температуры, а изменения температуры в центре образца и на его периферии не одинаковы, то при охлаждении сплавов наблюдается не только сложное изменение размеров, но и возникают внутренние напряжения.