СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

 

Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от того, какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризуют взаимо­действие компонентов и пока­зывают, какая структура образуется в зависимости от со­става сплава. Следовательно, существует связь между свой­ствами и диаграммами состояний. При этом необходимо знать, что в связи с большим многообразием диаграмм состояния они были классифицированы:

– на диаграмму состояния сплавов (I рода), компоненты которой образуют механическую смесь (рис. .., а);

– диаграмму состояния сплавов (II рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (рис. …, б);

– диаграмму состояния сплавов (III рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно – в твердом (рис. …, в);

– диаграмму состояния сплавов (IV рода), компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (рис. …, г).

 

 

Рис.. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойст­вами

 

Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм состояния впервые установил академик И. С. Курнаков. Построенные им диаграммы состав – свойство широко используются на практике. Твердость (НВ), электрические и другие физические характеристики сплавов, затвердевающих согласно диаграмме состояния, компоненты которых не растворимы в твердом состоянии, изменяются по закону прямой линии (рис. …., а). Если в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. …, б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образования химического соединения свойства изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу (рис. …, в и г).

 

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — наиболее важные металлические сплавы современной техники. Достаточно сказать, что производство стали и чугуна по объему намного пре­восходит производство всех других металлов вместе взятых.

Максимальное содержание углерода в сплавах с железом составляет 6,67%. Это значение соответствует содержанию угле­рода в карбиде железа Fe₃C (цементит), который и будем рассмат­ривать дальше как самостоятельный компонент. Диаграмма со­стояния железоуглеродистых сплавов Fe-C (рис. 5.23) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое значение, и может быть представлена в системе железо-углерод (пунктирные линии) или железо-цементит (сплошные линии).

 

 

Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — цемен­тит (сплошные линии).

Железо — металл серебристо-белого цвета, обладающий очень высокой пластичностью (относительное удлинение состав­ляет около 50%) при невысокой прочности (180-250) МПа. Тем­пература плавления железа 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — Ре_о(объемноцентри-рованный куб) и Fe (гранецентрированный куб).

Цементит — это химическое соединение Fe_}C (карбид желе­за). Кристаллическая решетка цементита очень сложна. Темпе­ратура плавления цементита около 1250°С. Аллотропических пре­вращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо магнитен. Он имеет очень высокую твердость, соизме­римую с твердостью алмаза (НВ > 800), при этом его пластич­ность близка к нулю. Цементит — соединение неустойчивое и при высоких температурах распадается с образованием свобод­ного углерода в виде графита.

Помимо основных компонентов в структуре железоуглеро­дистых сплавов можно обнаружить следующие структурные со­ставляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо. Он обладает сравнительно невысокой твердостью НВ (65-130), пластичен (5 = 40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло, обладает хорошей электропроводностью.

Растворимость углерода в феррите очень мала и составляет при температуре 727°С всего 0,025%, при комнатной температу­ре она много ниже и составляет 0,006%.Твердый раствор углеро­да в 8-железе носит название 5-феррит или высокотемператур­ный феррит.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в у-железе, имеет решетку гранецентрированного куба. Аустенит не магнитен, об­ладает относительно невысокой твердостью НВ (170-200). Мак­симальная растворимость углерода 2,14% при температуре 1147°С. При температуре 727°С растворимость углерода состав­ляет 0,83%.

Перлит (П) — механическая смесь, состоящая из очень тон­ких пластинок или зерен цементита и феррита. Образуется в ре­зультате распада аустенита при температуре 727*С. Содержание углерода в перлите 0,83%. Поскольку превращение аустенита в пер­лит происходит в твердом состоянии, эта смесь называется эвтектоид (а не эвтектика, которая образуется при первичной кристал­лизации). Элементарная кристаллическая ячейка перлита представ­ляет собой композицию двух решеток — феррита и цементита, объединенных общими связями, поэтому свойства перлита будут представлять некую величину, лежащую между свойствами фер­рита и цементита. Так, твердость по Бринелю составляет около 250 НВ, относительное удлинение 5 = 12-15%.

Ледебурит — механическая смесь (эвтектика), образован­ная цементитом и аустенитом, содержащая 4,3% при температу­ре 727°С. В интервале температур от 1147 до 727°С ледебурит со­стоит из аустенита и цементита, при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Ледебурит характеризуется высокой твер­достью (НВ = 700 МПа) и, следовательно, высокой прочностью, но в то же время пластичность его близка к нулю.

Точка А на диаграмме (….) показывает темпе­ратуру плавления чистого железа, точка D — температуру плав­ления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ABCD (линия ликвидус) и заканчивается на линии AHJECF (линия солидус). В температурном интервале кристал­лизации существуют одновременно две фазы — жидкий расплав и кристаллы избыточного компонента по отношению к составу эвтектики.

Ниже линии солидус в затвердевших сплавах при понижении температуры происходят дальнейшие изменения структуры. Это связано с аллотропическими превращениями железа и называет­ся вторичной кристаллизацией. Сплавы с содержанием углерода до 2,14% в области IV состоят из одного аустенита. При охлажде­нии сплава на линии GS начинается образование феррита, а на линии SE — вторичного цементита. Остающийся при этом аусте­нит при температуре 727°С полностью распадается на феррит и цементит, образуя при этом механическую смесь эвтектоидного состава (перлит).

Таким образом, сплавы с содержанием углерода до 0,83% называютсядоэвтектоиднымии состоят при нормальной темпе­ратуре из феррита и перлита. Сплавы с содержанием углерода 0,83% называются эвтектоиднымии состоят из перлита. Если кон­центрация углерода находится в пределах 0,83%-2,14%, сплав называют заэвтектоидным, и его состав — перлит и цементит вто­ричный.

Рассмотрим превращения в сплавах с содержанием углерода более 2,14%. В точке С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита с образованием сплава эвтектического со­става— ледебурита. При содержании углерода (2,14-4,3)% сплав называют доэвтектическим, и он состоит из цементита вторично­го, аустенита и ледебурита. При содержании углерода (4,3-6,67)% сплав называется заэвтектическим и состоит из цементита и леде­бурита. Сплав с содержанием углерода до 2,14% называется сталь, а больше 2,14% —чугун.

 

Сольвус. В диаграмме состояния, положение точек, представляющих температуру, при которой твердые фазы с переменным химическим составом сосуществуют с другими твердыми фазами, то есть показывающие пределы растворимости в твердом состоянии

 

Чугуныпо содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% уг­лерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и PSK (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит. превращается в перлит, а доэвтектические чу­гуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением коли­чества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увели­чивается — ледебурита.

Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в ко­личестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной темпе­ратуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектиче­ский чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.

Заэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристал­лов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшая­ся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтек­тические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрас­тает и содержание цементита.