Лекция 7 (Fe_C)

10. Железо и его сплавы

10.1. Компоненты в системе железо–углерод (цементит)

сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Сталь и чугун – представляют собой сплавы железа с углеродом. Сплавы, содержащие до 2%С называют сталями, а свыше 2%С – чугунами.

основой для анализа формирования структуры сталей и чугунов является диаграмма состояния Fe–C (Fe– Fe₃C) (рис.10.2). Fe – C - диаграмма стабильного равновесия (пунктирные линии);. Fe – Fe₃C - диаграмма метастабильного равновесия (сплошные линии).

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C является основной, т. к. в соответствии с ней происходят фазовые превращения при охлаждении в углеродистых сталях и белых чугунах.

Железо – полиморфный металл серебристого цвета с Т_пл=1539С, который имеет 2 аллотропические модификации:

Fe_ (ОЦК)  Fe _ (ГЦК)  Fe _ (ОЦК)

феррит

аустенит

феррит

Рис. 10.1. Зависимость энергии Гиббса G ОЦК и ГЦК модификаций железа от температуры t

Углерод является неметаллическим элементом. Тпл=3500С. углерод имеет слоистую гексагональную решётку, менее плотную, чем железо. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях (образует растворы внедрения), а также может находиться в виде химического соединения Fe₃C – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

10.2. Характеристика фаз в системе железо–углерод (цементит)

Рис. 10.2. Диаграмма состояния железо – углерод

В системе Fe–C различают следующие фазы:

1. L – жидкий раствор неограниченной растворимости углерода в железе;

2. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в ОЦК-Fe. Различают низкотемпературный -феррит (Fe_) с растворимостью до 0,02% С (точка Р) и высокотемпературный -феррит (Fe_) с предельной растворимостью до 0,1% С (точка Н). Феррит существует при температурах:

Феррит

F e (ОЦК) t  911C Fe (ОЦК) 1392C  t  1539С

3. Аустенит (g, А) – твердый раствор внедрения углерода в ГЦК-Fe (Fe_). Предельная растворимость углерода в Fe_, достигаемая при 1147С равна 2,14% С и характеризуется точкой Е.

Аустенит существует в интервале температур 911–1392С. фазовое превращение Fe_  Fe_ протекает при температуре 911С (точка G). Превращение Fe_  Fe_ протекает при 1392С (точка N).

Аустенит Fe_ (ГЦК) 911C  t  1392С

Fe_  Fe_ t =911С (точка G)

Fe_  Fe_ t =1392С (точка N)

4. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67% С. цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления варьируется по разным данным в интервале 1250С (точка D). Цементит обладает высокой твёрдостью и хрупкостью (НВ Fe₃C 800, в то время как, НВ_a  80 и НВ_g 200), т.е. феррит и аустенит – пластичные фазы.

5. Графит (Г) – имеет гексагональную слоистую решетку. Графит мягкий и имеет низкую прочность.