Особенности и маркировка железоуглеродистых сплавов

Общие сведения

Железоуглеродистые сплавы — группа соединений на основе железа, насыщаемые дополнительными компонентами, главным из которых является углерод.

Сферы применения:

1. Сборка промышленного оборудования, машин, кораблей, самолетов, разных механизмов.
2. Изготовление инструментов для обработки дерева, металла, бетона, пластика.
3. Сборка металлоконструкций.

Железоуглеродистые сплавы делятся на 2 больших группы:

1. Сталь. Соединение углерода и железа. Массовая доля углерода может достигать 2,14% от общего количества. Чаще его содержание не превышает 1,5% от общей массы. Углеродистые стали — прочный, ковкий, деформируемый конструкционный материал.
2. Чугун. Сплав на основе углерода и железа. Содержание первого компонента может достигать 6,67% от общего количества. Чаще его массовая доля не превышает 5%. Свойства материала зависят от структуры.

Виды чугуна:

1. Серый. Углерод, входящий в состав сплава, находится в виде графита. Материал хорошо поддается обработке инструментами, обладает высокими литейными свойствами.
2. Белый. Плохо обрабатывается. Большая часть углерода или весь компонент содержится в составе в виде цементита. Отличается высокой твердостью, плохой свариваемостью. Чаще применяется для получения ковкого чугуна.
3. Высокопрочный. Углерод в таком чугуне содержится в виде шаровидного графита, который образуется благодаря процессу кристаллизации. Применяется для производства деталей, на которые будут подвергаться большим нагрузкам.
4. Половинчатый. Углерод содержится в виде графита, цементита. Из него изготавливаются детали, обладающие повышенным показателем износоустойчивости.
5. Ковкий. Получается в результате отливки и термической обработки белого чугуна. Применяется для сборки сельскохозяйственной техники, автомобилей.

В отдельную группу нужно выделить специальные чугуны, второе название которых — ферросплавы. Они содержат марганец и кремний. Применяются для производства стали. С их помощью можно убрать вредную примесь, которая ухудшает технические характеристики.

Статуэтка из ковкого чугуна (Фото: Instagram / antikevro)

Типы сплавов. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы входящие в состав сплава элементов незначительно отличаются строением и размером, они могут образовывать общую кристаллическую решетку, то такой сплав называется твердым раствором. Если каждый элемент сплава кристаллизуется самостоятельно, то это механическая смесь. Если элементы сплава химически взаимодействуют, образуя новое вещество, то такой сплав называют химическим соединением.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их смесей (ледебурита — эвтектическая смесь аустенита и цементита; перлита — эвтектоидная смесь феррита и цементита).

Аустенит является твердым раствором углерода в γ-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. В α-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью.Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ — 800. Цементит — нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.

Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ÷ 220. Сталь, содержащая 0,80%С, имеет чисто перлитную структуру.

Ледебурит — это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3%С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, смесь перлита с цементитом.

Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.Кроме указанных структурных составляющих, в технических железоуглеродистых сплавах наблюдаются в небольшом количестве и другиефазы — сульфиды, фосфиды, окислы, нитриды и структурные составляющие на их основе (например, фосфидная ввтектика в чугуне).

80.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов(рис. 5). Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.

Феррит – твердый раствор углерода в α -Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ –Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170…220.

Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит;VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI– перлит, цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160…260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.

Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

При содержании углерода <0,83 % – доэвтектоидные стали

» » » 0,83% – эвтектоидные стали

» » » 0,83…2% – заэвтектоидные стали

» » » 2,0…4,3% – доэвтектические чугуны

» » » 4,3.. .6,67% – заэвтектические чугуны

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.

Промышленное получение

Железоуглеродистые сплавы производятся металлургическими заводами из разных компонентов. Основа — железо с углеродом. Этапы производственного процесса:

1. Подготовка расходного сырья (руды). Ее сортируют по размерам кусков, химическому составу. Бедные руды обогащаются требуемыми компонентами. Пустые породы удаляются.
2. Подготовка топлива. Коксовый уголь проходит процедуру грохочения. Она нужна, чтобы удалить из топлива посторонние примеси, которые могут привести к тепловым потерям при плавке руды.
3. Подготовка флюса. Вещества, которые будет применяться для производства чугуна измельчают. При этом отсеивается мелочь, удаляются сторонние примеси.
4. Загрузка расходных материалов, руды в доменную печь. Сначала она заполняется коксом, сверху выкладывается руда, поверх нее засыпается еще один слой кокса. Внутрь вдувается разогретый воздух для поддержания температуры плавления металла. При сгорании кокса выделяется большое количество углекислого газа, который проходит через остатки кокса, образуя соединение СО. В процессе восстановления железо набирается твердости. Постепенно углерод начинает растворяться. Жидкий чугун подается к специальным ковшам, из которых разливается по формам.

Для производства чугуна применяются большие доменные печи. Их высота может достигать 30 м, а внутренний диаметр — 12 м.

Доменная печь (Фото: Instagram / viktormacha)

Компоненты сплавов

Технические характеристики железоуглеродистых сплавов зависят от типа и количества легирующих добавок:

1. Углерод. В составе присутствуют в виде цементита, графита, карбида железа. Этот компонент вводят специально, чтобы придать материалу твердость, прочность, изменить технические характеристики в лучшую сторону.
2. Марганец, кремний. Полезные примеси, которые специально вводятся в сплав (определенная их часть попадает из руды). Они уменьшают хрупкость, твердость сплавов, повышая его прочность, износоустойчивость.
3. Фосфор, сера. Вредные примеси для железоуглеродистых сплавов. Их количество производители стараются снизить. При большом содержании этих примесей увеличивается хрупкость, твердость, ухудшаются литейные свойства, появляется усадка при охлаждении расплавленного металла.

Железоуглеродистые сплавы: фазовое и структурное состояние

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ: ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ

Железоуглеродистые сплавы, стали и чугуны в течение целой эпохи являлись основой развития человеческой цивилизации. И это связано, с одной стороны, с большой распространенностью железа в земной коре, а с другой, с уникальностью свойств сплавов на основе железа.

Такие свойства достигаются при взаимодействии железа с углеродом, а также с многочисленными легирующими элементами, которые существенно изменяют структуру и фазовый состав железоуглеродистых сплавов. Фазовое и структурное состояние этих сплавов описывается диаграммой железо-углерод.

Общие сведения о диаграмме железо – углерод

В системе железо-углерод можно выделить несколько типов сплавов: железо, стали и чугуны. В отличие от чистого, технически чистое железо содержит до 0,025 % углерода, а также в незначительных количествах кремний, марганец и некоторые другие элементы. Стали содержат до 2 % углерода, чугуны – более 2 %.

Чистое железо

Железо – ферромагнитный переходный полиморфный металл, с порядковым номером в таблице Д.И. Менделева 26. Электронная структура: 1S2 2S2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 .

Температура плавления чистого железа 1539 ˚С. Плотность при комнатной температуре 7,684 г/см3 , атомная масса 55,85. Структура железа представляет собой равноосные полиэдры, разделенные тонкими прожилками границ зерен. Чистое железо имеет сравнительно крупные зерна. Техническим железом называют сплавы железа с углеродом, если содержание углерода в них не превышает 0,02% (по массе). Увеличение количества примесей, в том числе углерода измельчает размер зерна и увеличивает толщину границ. В техническом железе возможно выделение прожилок третичного цементита вдоль границ зерен. Железо имеет ряд критических точек (А4 = 1392 ˚С, А3 = 911˚С), соответствующих полиморфным превращениям, а также точку полиморфного превращения (точка Кюри – 770 ˚С).

При температурах ниже 911˚С железо имеет решетку объемноцентрированного куба (ОЦК), параметр решетки 2,8605 кХ при 20 ˚ С. Эта модификация носит название альфа – железо. До 770 ˚ С альфа–железо ферромагнитно, выше – парамагнитно. Ферромагнетизм исчезает при температуре точки Кюри без какого либо изменения в кристаллической структуре. Точка Кюри не обладает термическим гистерезисом, т.е. при охлаждении железа ниже 770 ˚ С ферромагнетизм восстанавливается.

Температура 911 ˚ С является критической точкой (А3 ), при которой происходит полиморфное превращение aFe ÛgFe . При нагреве до температуры выше 911 ˚ С происходит перестройка кристаллической структуры железа из решетки объемно-центрированного куба в решетку с более плотной упаковкой атомов – куб гранецентрированный (ГЦК) – гамма-железа. Превращение aFe ®gFe сопровождается уменьшением удельного объема примерно на 1%. Параметр ГЦК решетки γ–железа 3,6409 кХ при 950 ˚ С.

В равновесных условиях при очень медленном нагреве перестройка решетки из альфа в гамма–железо начинается приблизительно на 10 ˚ С выше, чем при образовании альфа из гамма–железа при очень медленном охлаждении. Поэтому, для того, чтобы различить температуры, при которых начинаются превращения, используют дополнительные индексы c и r соответственно при нагреве и охлаждении. В этом случае обозначение критических точек соответственно Ас3 и Аr3 при нагреве и охлаждении. Разница в температурных значениях Ас3 и Аr3 называется температурным гистерезисом превращения.

Гамма–железо существует в температурном интервале 911–1392 ˚ С. Температура 1392 ˚ С (А4 ) является критической точкой, при которой происходит перестройка gFe ÛdFe . Дельта–железо, существующее до температуры плавления имеет решетку аналогичную альфа–железу, решетку объемно–центрированного куба, отличающуюся от альфа–железа параметром решетки (2,93 кХ при 1425 ˚ С). Гамма и дельта–железо парамагнитны.

Системы железа с углеродом

Взаимодействие железа и углерода, природа фаз, характер фазового равновесия в системе и сама диаграмма железо–углерод определяется электронным строением железа и углерода.

Железо в металлическом состоянии в реальных условиях, описываемых диаграммой железо–углерод, отдает два его внешних валентных электрона с оболочкой 4s2 в коллективизированное состояние. Открывающиеся при этом орбитали d6 электронной оболочкой перекрываются, образуя решетку объемно–центрированного куба (ОЦК). Такое электронное строение свойственно альфа и дельта–железу.

В интервале температур от 911 до 1392 ˚ С d6 — орбитали не перекрываются, в связи с чем сферическая симметричная электронная конфигурация электронной оболочки обеспечивает образование плотной упаковки гранецентрированного куба, отвечающей решетке гамма–железа.

Электронная конфигурация атомов углерода 1S2 2S2 2p2 . Четыре электрона на внешней оболочке могут переходить либо в коллективизированное состояние при образовании растворов, либо принимать участие в валентных связях при образовании химических соединений. Кроме того, внешняя оболочка углерода может заполняться до уровня 2S2 2p6 при образовании металлических карбидов.

Углерод в системах с железом при нормальном давлении может находиться в свободном состоянии в виде графита, а также в растворенном состоянии в твердых и жидких растворах. Кроме того, он образует карбиды, например, цементит Fe3 C.

Цементит – соединение с преимущественной ковалентной связью, усиленной небольшой долей ионной связи между ионами железа и углерода, а также металлической связью. Наличие некоторой части металлической связи в цементите обусловливает его проводимость в связи с появлением в связи с ней некоторой электронной концентрации.

При образовании цементита происходит обмен электронами между соседними атомами железа и углерода по одному d-электрону иона Fe2+ с конфигурацией d6 и электроном внешней оболочки атома углерода. У атома углерода принимают участие в образовании связей шесть валентных электронов, захваченных на уровень 2p. Шесть орбиталей 2p6 –оболочки перекрываются с шестью d-орбиталями шести ближайших атомов железа (d6 ). При этом возникают шесть обменных двухэлектронных связей ковалентного типа, определяя преимущественную ковалентную связь в решетке цементита.

Графит имеет гексагональную слоистую структуру вследствие возникновения полуторных связей между атомами углерода.

При растворении углерода в железе, его атомы теряют валентные электроны, которые коллективизируются и переходят в электронный газ вместе с электронами железа. Оголяющаяся при этом 1S2 электронная конфигурация иона углерода приобретает сферическую конфигурацию и имеет очень малый размер (около 1,1 кХ). Это позволяет размещаться ионам углерода в октаэдрических пустотах ГЦК и ОЦК решеток железа, образуя твердые растворы внедрения: g-твердый раствор (аустенит), a-феррит и d-феррит.

Жидкие растворы углерода в железе выше температуры плавления сплавов в системе железо – углерод имеют то же электронное строение, что и твердые растворы: d-феррит и g-аустенит. При плавлении сохраняется тот же ближний порядок в кристаллическом строении сплавов, который наблюдался до плавления в данном сплаве в твердом состоянии. При плавлении нарушается лишь дальний порядок.

Фазовые состояния железоуглеродистых сплавов, в зависимости от состава и температуры, описываются диаграммами стабильного и метастабильного равновесия. Термодинамический анализ показывает, что наиболее стабильной системой, образованной двумя компонентами: железом и углеродом, является система железо – графит. Метастабильной является система железо – цементит.

Диаграмма железо – графит построена в условиях очень медленного нагрева и охлаждения (доли градуса в минуту). Диаграмма железо – цементит строится в условиях более высоких скоростей нагрева и охлаждения (порядка нескольких градусов в минуту).

Диаграммы позволяют описать как фазовый состав, так и структуру сплава. В этом случае диаграммы называют, соответственно, фазовой или структурной. Часто обозначения фазового и структурного состава сплавов объединяют.

Характеристика фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

В соответствии с ранее данными определениями фазовой и структурной составляющих системы, в системе железо-углерод к фазовым составляющим относятся: жидкий раствор (L), твердые растворы: феррит (α), аустенит (γ) , высокотемпературный феррит (δ), а также цементит и графит (Г).

Жидкий раствор в системе железо-углерод представляет собой раствор углерода в расплавленном железе. При температурах значительно выше линии ликвидус (преимущественно выше 1700˚ С) жидкость является статистически неупорядоченным раствором со статистически плотной упаковкой. При небольшом перегреве выше линии ликвидус жидкий раствор имеет сравнительно регулярное строение. Жидкий раствор, образовавшийся при плавлении δ-феррита (до 0,51% углерода), сохраняет ближний порядок по ОЦК-решетке δ-железа. Жидкий раствор, образующийся при плавлении аустенита, имеет ближний порядок, соответствующий ГЦК-решетке γ -железа.

Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Решетка феррита – объемно-центрированный куб с расположением атомов углерода в сравнительно небольших октаэдрических пустотах решетки, сильно искажающим ее. Растворимость углерода в феррите невелика.

При температуре 727 ˚ С в феррите растворяется 0,02% С; при понижении температуры растворимость уменьшается, достигая величины 0,006%С при комнатной температуре. Структура феррита представляет собой сравнительно равноосные полиэдрические кристаллы, разделенные между собой тонкими высокоугловыми границами. Выявляется обычно структура феррита при травлении растворами азотной кислоты.

Феррит до температуры точки Кюри (770˚С) сильно ферромагнитен, хорошо проводит тепло и электрический ток. В равновесном состоянии феррит пластичен (относительное удлинение порядка 40%), имеет небольшую прочность и твердость (HB = 65 — I30, в зависимости от величины зерна).

Феррит, в зависимости от характера протекающих фазовых превращений, в структуре железоуглеродистых сплавов может находиться в виде различных структурных состояний: феррит, как основа структуры сплава (Ф); феррит, как вторая (избыточная) фаза, располагающаяся по границам перлитных колоний, в виде отдельных включений равноосной или игольчатой формы; феррит, входящий в качестве фазы в состав другой структурной составляющей – перлита или феррито-графитного эвтектоида.

При температурах выше критической точки А4 стабильной становится модификация высокотемпературного δ–феррита, имеющего, как и низкотемпературный α–феррит, объемно-центрированную кубическую решетку, но с большими по сравнению с ним параметрами. δ -феррит парамагнитен.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Решетка аустенита – гранецентрированный куб (ГЦК). Атомы углерода располагаются в крупных октаэдрических пустотах решетки.

Растворимость углерода в аустените значительно больше, чем в феррите: 2,03 и 2,14% при температурах эвтектического превращения, соответственно, в стабильной и метастабильной системе. При понижении температуры растворимость уменьшается до 0,69 и 0,80% в упомянутых системах, что соответствует температурам эвтектоидного превращения в той и другой системах.

Аустенит в структуре выявляется так же, как и феррит в виде сравнительно равноосных полиэдров, но отличается от него значительным количеством двойников в теле зерна. Аустенит – парамагнитная составляющая во всем температурном интервале его существования. Аустенит мягок, хотя тверже феррита (HB = 200-250). Он пластичен (относительное удлинение 40-50% и выше). Превращение феррита и феррито-цементитной смеси в аустенит сопровождается уменьшением объема.

Структурное состояние аустенита (А) в железоуглеродистых сплавах аналогично ферриту: он может быть единственной структурной составляющей в сплаве; составлять основу сплава; входить в него, как остаточный аустенит; содержаться в виде фазовой составляющей в составе более сложной структурной составляющей – эвтектической аустенито-цементитной смеси (ледебурита), существующей при температурах выше эвтектоидной линии на диаграмме железо-углерод.

Цементит – метастабильное соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe3 C. Цементит имеет сложную орторомбическую решетку, основа которой представляет собой трехгранную, слегка искаженную призму, образованную шестью атомами железа. Часть атомов железа имеет 11 соседних атомов железа, а часть – 12. Пустоты заполняются атомами углерода. В этом структура цементита близка по своему строению к структуре аустенита, а также к плотнейшей гексагональной модификации ε – железа.

Цементит – соединение практически постоянного состава. Растворимость железа в цементите имеет место, но ее величина очень мала, и практически незначима. Цементит при повышении температуры сравнительно легко разлагается на железо (аустенит или феррит) и графит. Это свойство цементита лежит в основе явления графитизации, и используется для получения серых и ковких чугунов. Цементит хрупок, очень тверд (НВ около 800), слабо магнитен до температуры 210˚С. Выше этой температуры цементит парамагнитен.

Структурное состояние цементита определяется, в основном, типом превращения, при котором он образуется. Различают первичный цементит (ЦI ), который представляет собой крупные игольчатые кристаллы, образующиеся при кристаллизации непосредственно из жидкости в заэвтектическом белом чугуне. Вторичный цементит (ЦII ) выделяется в заэвтектоидных сталях и доэвтектических чугунах, в основном, в виде сетки по границам зерен аустенита, а также в ряде случаев в виде равномерно распределенных по объему аустенитного зерна скоагулированных частиц или игл. Вторичный цементит – это избыточная фаза в железоуглеродистых сплавах, выделяющаяся из аустенита при охлаждении в результате уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

Выделение третичного цементита (ЦIII ) характерно для технического железа и малоуглеродистой стали. Выделяется третичный цементит из феррита в результате уменьшения растворимости углерода в феррите с понижением температуры от 727˚С до комнатной температуры. Третичный цементит в структуре железа и малоуглеродистой стали в микроструктуре наблюдается в виде тонких прожилок по границам зерен феррита. Такие выделения третичного цементита охрупчивают железо и малоуглеродистые стали. Поэтому такие сплавы подвергают термической обработке с целью изменения структурного состояния третичного цементита. Желательное его положение в структуре сплава – равномерно рассредоточенные выделения в объеме ферритных зерен. Этого добиваются путем закалки и старения.

Кроме того, цементит в качестве фазовой составляющей входит в состав сложных двухфазных структурных составляющих в железо-углеродистых сплавах – перлита и ледебурита. В этом случае такой цементит называют эвтектоидным и эвтектическим (Цэ ), соответственно.

Графит – важнейшая фазовая и структурная составляющая (Г) серых, ковких и высокопрочных чугунов, обусловливающая их малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутренние трение, обеспечивающее уменьшение вибраций, и ряд других полезных свойств. Графит – гексагональная модификация углерода. При нормальном давлении графит является стабильной составляющей до температур около 4000˚С.

В решетке графита атомы расположены слоями с гексагональной симметрией. В первом и третьем слоях атомы расположены друг над другом. Во втором (среднем) слое атомы сдвинуты вдоль наибольшей диагонали шестигранника на величину параметра решетки (длину стороны шестигранника). Расстояние между слоями (3,35 кХ) значительно больше, чем расстояния между соседними атомами в гексагональном слое. Из-за легкой подвижности слабо связанных гексагональных слоев графит – наименее прочная фаза железоуглеродистых сплавов.

Графит в структуре железоуглеродистых сплавов находится либо в виде избыточной фазы (в заэвтектическом сером чугуне), либо в качестве фазовой составляющей, входящей в состав аустенито-графитной эвтектики. Графит имеет форму разветвленных крабовидных включений. Эвтектический графит отличается от первичного меньшими размерами и большей разветвленностью.

После модифицирования жидкого чугуна магнием и некоторыми другими элементами, а также после отжига белого чугуна на ковкий, в структуре можно наблюдать глобулярный (хлопьевидный или шаровидный) графит. Эта форма графита обеспечивает получение повышенной прочности и пластичности чугуна.

Все описанные фазовые составляющие могут одновременно быть и структурными составляющими, если они в структуре сплава находятся в виде избыточных фаз или составляют основу структуры сплава.

Кроме однофазных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах имеют место и сложные двухфазные: перлит, ледебурит, графито-аустенитная эвтектика и феррито-графитный эвтектоид.

Перлит – это эвтектоидная физико-химическая смесь двух фаз: феррита и цементита, образовавшаяся в метастабильной системе железо-углерод за счет диффузионного расслоения аустенита по эвтектоидной реакции. Перлит образуется при переохлаждении аустенита ниже линии PSK диаграммы железо-углерод. Строение перлита определяется величиной переохлаждения, при котором происходит распад.

При малом переохлаждении (на 20-30 ˚С ниже линии эвтектоидного превращения) образуется зернистый перлит. Зернистый перлит представляет собой феррито-цементитную структуру, в которой основой является феррит, а по его объему статистически равномерно распределены зернистые, близкие к сферическим, включения цементита.

При большем переохлаждении образуется структура пластинчатого перлита, состоящего из регулярно чередующихся пластин цементита и феррита, причем, пластины феррита примерно в 7 раз толще пластин цементита.

Абсолютные значения толщины цементитных и ферритных пластин, величина расстояния между одноименными пластинами в составе эвтектоидной смеси, называемая межпластиночным расстоянием, и характеризующая степень дисперсности структуры, определяются степенью переохлаждения аустенита ниже равновесной температуры эвтектоидной реакции. Чем больше степень переохлаждения, тем выше дисперсность феррито-цементитной эвтектоидной смеси. Высокодисперсные феррито-цементитные смеси носят названия сорбит и троостит. Троостит наиболее дисперсная феррито-цементитная смесь.

Перлит присутствует в структуре сталей и чугунов. Количество перлита растет в доэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода от 0,02 до 0,8%. Эвтектоидная сталь имеет чисто перлитную структуру (100% перлита).

Дальнейшее увеличение содержания углерода в стали, соответствующее переходу к заэвтектоидным сталям, а далее – к чугунам, сопровождается уменьшением доли перлита в структуре за счет появления и увеличения количества вторичного, эвтектического и, наконец, первичного цементита.

Перлит в малоуглеродистых сталях появляется сначала в виде отдельных включений между зернами феррита, затем при увеличении его количества, он постепенно занимает в структуре все большее поле зрения на поверхности шлифа. Пока перлита в структуре мало, строение его не выявляется при малых и средних увеличениях оптического микроскопа. В эвтектоидной и заэвтектоидной сталях пластинчатое строение его выявляется уже при небольших увеличениях (×100 — 200). В структуре чугуна перлит находится как в виде избыточных колонийных структурных составляющих – продуктов распада избыточного аустенита, так и в составе ледебурита. Механические свойства перлита определяются его структурным состоянием. Расчет по правилу аддитивности твердости перлита, исходя из известных значений твердости феррита и цементита, дает значения 150-180 НВ. Экспериментально определенные значения твердости пластинчатого перлита, сорбита и троостита соответственно равны 170 — 230, 230 — 330 и 330 — 400 НВ. Таким образом, можно видеть, что чем выше степень дисперсности феррито-цементитной смеси, тем выше его твердость.

Ледебурит – эвтектическая физико-химическая смесь аустенита и цементита, образующаяся в результате эвтектической кристаллизации из жидкости, содержащей 4,3% углерода.

Ледебурит представляет собой колонийную структуру, основу которой составляют пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Ветви аустенита в составе ледебурита располагаются регулярно по всему объему эвтектической цементитной пластины и имеет форму стержней примерно цилиндрической конфигурации. На шлифе колония ледебурита в зависимости от направления поверхности шлифа относительно аустенитных ветвей может выглядеть либо в виде «зернистой» смеси при поперечном сечении колонии, либо «пластинчатой» — при продольном сечении. При сечении колонии под углом к плоскости базиса цементита, сечения аустенитных ветвей в составе ледебурита эллиптической конфигурации.

Кроме колонийного (сотового) ледебурита эвтектическая смесь аустенита и цементита может встречаться в виде пластинчатой эвтектики, представляющей собой пакет тонких цементитных пластинок, разделенных аустенитом. Такие пакеты образованы двумя переплетенными кристаллами цементита и аустенита. Вероятность образования пластинчатого ледебурита увеличивается с ростом степени переохлаждения жидкости при кристаллизации. При этом увеличивается доля пластинчатого ледебурита в структуре белого чугуна. Чаще всего пакет пластинчатого ледебурита составляет основу, на которой зарождается и растет колония сотового ледебурита.

При очень больших скоростях охлаждения весь ледебурит может оказаться пластинчатым. В этом случае цементит разветвляется, приобретая вид веерообразных колоний. При еще больших скоростях охлаждения появляются сферолитные колонии. Ледебурит, состоящий из эвтектической смеси аустенита и цементита, устойчив в температурном интервале от эвтектической до эвтектоидной линии на диаграмме железо-углерод. При понижении температуры ниже 727 ˚С аустенит в составе ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение, в результате чего при комнатной температуре ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита с цементитом. Строение перлита в ледебурите такое же, как и в сплавах с меньшим содержанием углерода (сталях).

Ледебурит, как и цементит, образующий его основу, тверд, износостоек и обладает практически нулевой пластичностью. Эти свойства ледебурита лежат в основе использования такой структуры в белых чугунах, используемых в качестве одних из наиболее износостойких материалов.

Аустенито-графитная эвтектика образуется в стабильной системе железо-углерод и представляет собой смесь кристаллов графита, сформировавшуюся при одновременном выделении из жидкости состава 4,25% углерода обеих фазовых составляющих. При малых степенях переохлаждения графит эвтектики имеет, как и первичный графит, разветвленную пластинчатую форму. Увеличение скорости охлаждения приводит к расщеплению графитных пластин и образованию сферических кристаллов. Эвтектическая аустенито-графитная структура мало отличается от выделения первичных кристаллов графита. Главное отличие этих структур заключается в размере графитных включений. Они в эвтектике мельче первичных кристаллов.

Феррито-графитный эвтектоид – продукт эвтектоидного распада аустенита, содержащего 0,69% углерода, который реализуется в условиях очень медленного охлаждения при температурах ниже 738˚С.

Феррито-графитный эвтектоид – дисперсная смесь феррита, составляющего основу структуры сплава, и дисперсных разветвленных или сферических графитных частиц, распределенных в феррите статистически равномерно. Однако в большинстве случаев эвтектоидный графит при распаде аустенита осаждается на ранее образовавшихся первичных и эвтектических графитных кристаллах. Эвтектоидное превращение с образованием феррито-графтного эвтектоида используется при термической обработке чугунов и графитизированной стали для получения феррито-графитной структуры, обладающей хорошими антифрикционными свойствами при сохранении достаточно высокой пластичности сплавов.

Характеристика основных точек и линий диаграммы железо-углерод

Все точки диаграммы железо-углерод имеют определенный физический смысл и общепризнанные в мировой практике буквенные обозначения. Знание основных свойств и характеристик этих точек облегчает понимание диаграммы и ее практическое использование. Ниже приведены краткие характеристики точек и линий диаграммы.

Основные точки диаграммы железо-углерод

А – точка, соответствующая плавлению – кристаллизации чистого железа. Температура, отвечающая этой точке 1539 °С. Число степеней свободы в этой точке равно нулю. На термических кривых для чистого железа температуре точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, сопровождается резким увеличением объема (около 6%), связанным с нарушением дальнего порядка в кристаллическом строении d-железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления.

В – точка предельного насыщения железом жидкого раствора, находящегося в равновесии одновременно с кристаллами d- и g-твердых растворов при перитектической температуре. Точке В соответствует содержание углерода в жидкости 0,51%, температура 1496 °С.

С – эвтектическая точка в метастабильной системе Fe – Fe3 C. Температура 1147 °C, концентрация углерода, соответствующая точке С – 4,3% – это содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии одновременно с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении. Число степеней свободы, соответствующее этой точке, равно нулю. На термических кривых охлаждения и нагрева точке С соответствуют горизонтальные площадки, аналогичные площадкам плавления – кристаллизации чистого железа.

С¢ – эвтектическая точка в стабильной системе железо-графит. Температура, соответствующая точке 1153 °С, концентрация углерода – 4,25% – это содержание углерода в жидкости, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической кристаллизации. Как и в точке С, в данной точке система нонвариантна.

D – согласно принятым обозначениям точку D относят к температуре плавления цементита. Однако известные данные свидетельствуют о том, что цементит представляет собой термодинамически неустойчивую фазу, в связи с чем, перед плавлением он разлагается на железо и графит. При этом положение точки D на диаграмме оказывается неопределенным.

D¢ – точка, соответствующая температуре плавления графита (около 4000°С).

Е – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью при эвтектической температуре (1147 °С) в метастабилъной системе. Значение содержания углерода 2,14%. Точка Е на концентрационной оси диаграммы является своеобразной границей между сталями и чугунами. При содержании углерода в сплавах меньше 2,14% в их структуре отсутствует ледебурит; при содержании углерода более 2,14% ледебурит присутствует в структуре сплавов. Это – важнейшая структурная составляющая чугунов.

Е¢ – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с графитом и жидким раствором при эвтектической температуре (1153 °С) в стабильной системе. Значение содержания углерода, соответствующего этой точке, равно 2,03 %.

F – точка предельного насыщения цементита железом при эвтектической температуре (1147°С). Значение концентрации углерода, соответствующее точке F, практически близко к 6,67%, хотя последние работы показывают наличие некоторой весьма малой растворимости железа в цементите.

F¢ – точка предельного насыщения графита железом при эвтектической температуре (1153 °С).

G – точка полиморфного превращения в чистом железе aÛg. Температура превращения 911°С. Число степеней свободы системы в этой точке равно нулю. Перестройка кристаллической решетки a®g сопровождается уменьшением объема, обратный переход g®a увеличивает удельный объем образца, что связано с различной плотностью упаковки атомов в гранецентрированной решетке g — железа и объемно-центрированной решетке a — железа. Точка G соответствует для чистого железа критической точке А3 .

Н – точка предельного насыщения углеродом d-феррита при температуре перитектического превращения. Температура, соответствующая этой точке 1496 °С, концентрация углерода 0,10%, что Это соответствует концентрации d-феррита, находящегося в равновесии с аустенитом и жидкостью при температуре перитектики.

I – перитектическая точка, точка трехфазного равновесия, соответствующая равновесной концентрации аустенита, образующегося по перитектичеокой реакции в изотермических условиях из жидкости состава точки В и d-феррита состава точки Н. Температура, в точке I, равна 1496 °С, концентрация углерода 0,16%.

К – точка предельного насыщения железом цементита при эвтектоидной температуре 727°С. Точке практически соответствует концентрация 6,67% углерода.

К¢ – точка предельного насыщения железом графита при эвтектоидной температуре (738°С).

М – точка Кюри чистого железа. Температура этой точки 770 °С. Точка соответствует потере ферромагнетизма a-железа при нагреве и восстановлению его ферромагнетизма при охлаждении.

N – точка полиморфного превращения dÛg в чистом железе. Температура превращения 1392 °С. Точка N для чистого железа соответствует критической точке А4 . В этойточке система нонвариантна.

О – точка наибольшей растворимости углерода в аустените, находящемся в контакте с немагнитным ферритом при температуре 770 °С. Содержание углерода в аустените в этой точке примерно равно 0,5%.

Р – точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной температуре (727°С). Значение содержания углерода для этой точки 0,02%. Точка Р на концентрационной оси диаграммы отделяет техническое железо от стали. В сталях (содержание углерода выше 0,02%) в качестве структурной составляющей содержится перлит. В техническом железе (содержание углерода не более 0,02%) перлит отсутствует.

S – эвтектоидная точка в метастабильной системе. Температура, соответствующая этой точке, 727 °С, содержание углерода 0,8%. Это содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии c ферритом и цементитом при эвтектоидной реакции. Число степеней свободы, как и для других трехфазных реакций в данной системе, равно нулю.

S¢ – эвтектоидная точка в стабильной системе железо-графит. Температура, отвечающая данной точке 738 °С, содержание углерода в аустените, соответствующее точке S¢ç , равно 0,69%. Это содержание углерода в аустените, находящемся в состоянии равновесия с ферритом и графитом в момент развития прямого или обратного эвтектоидного превращения. Система в точке S¢ç -нонвариантна.

Q – точка предельной растворимости углерода в феррите (значение 0,006% при комнатной температуре). Увеличение концентрации углерода в феррите до значений более 0,006% приводит к изменению фазового состава и в первую очередь к появлению в структуре третичного феррита.

Классификация

Сталь классифицируется по разным признакам. По химическому составу:

1. Высокоуглеродистые — более 0,65% С.
2. Среднеуглеродистые — от 0,25% до 0,65% С.
3. Низкоуглеродистые — менее 0,25% С.

По структуре:

• заэвтектоидные;
• эвтектоидные;
• доэвтектоидные;
• ледебуритные.

По назначению:

1. Инструментальные. Используются при изготовлении рабочих частей и оснастки электрических инструментов, промышленного оборудования.
2. Конструкционные. Применяются при изготовлении металлоконструкций, деталей промышленного оборудования, машин.

Сталь в рулонах (Фото: Instagram / mmz_sim)

Классификация железоуглеродистых сплавов

Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содержанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме «Железо – цементит»все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.

Техническим железом

называются сплавы с содержанием углерода от 0 до 0,02 %. При концентрации углерода до 0,006 % сплавы являются
однофазными
и имеют структуру феррита.

Сплавы с содержанием углерода от 0,006 % до 0,02 % являются двухфазными

. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной температуре. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006 %, оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счет выделения цементита.

Сталями

называются сплавы железа с углеродом, концентрация которого находится в пределах от 0,02 % до 2,14 %.

Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структуру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 ºС (рис. 4.4.1, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное

превращение:

А0,8 % С → П (Ф0,02 % С + Ц6,67 % С).

Продуктом данного превращения является перлит

– эвтектоидная смесь феррита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся:

· на доэвтектоидные

(концентрация углерода от 0,02 % до 0,8 %), при комнатной температуре состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура таких сталей – феррит+перлит;

· эвтектоидные

(концентрация углерода 0,8 %), также состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура – перлит;

· заэвтектоидные

(концентрация углерода от 0,8 % до 2,14 %), имеющие структуру перлит+цементит, образованную из двух фаз – феррита и цементита.

Чугунами

называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде химического соединения
Fe3C
), то такой чугун называется
белым
. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.

Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при температуре 1147 ºС (рис. 4.4.1, линия ЕСF), в результате которого образуется ледебурит

– эвтектиче­ская смесь аустенита и цементита:

Ж4,3 % С → Л2,14 % С + Ц6,67 % С.

При температуре 727 ºС происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:

· на доэвтектические

(от 2,14 % до 4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, перлит, цементит вторичный;

· эвтектические

(4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит, структурный состав − ледебурит;

· заэвтектические

(от 4,3 до 6,67 % углерода). Фазовый состав − феррит и це­ментит, структурный состав − ледебурит, цементит первичный.

Все рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз − феррита и цементи­та, но имеют разную структуру, а именно структура определяет свойства сплавов.

Белые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, но высокая твёрдость исключает их механическую обработку. Поэтому белые чугуны не являются конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.

Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно, не уменьшая концентрации углерода, добиться резкого уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого необходимо, чтобы весь углерод или большая его часть выделилась в свободном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.

Серыми

чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны, как минимум, трёхкомпонентные сплавы, то диаграмма «Железо − цементит» для определения структуры сплавов непригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.

По металлической основе серые чугуны подразделяются:

· на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластинчатый;

· на феррито-перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;

· на перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.

Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обрабатываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объясняется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.

Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его прочность, нужно изменить форму графита − пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием − введением в расплав малых количеств магния или церия.

Высокопрочными

чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровидного графита.

По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:

· на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;

· феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;

· перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.

Ковкими

чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Получают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.

По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:

· на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;

· феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;

· перлитные ковкие чугуны со структурой перлит и графит хлопьевидный.

Свойства

Характеристики железоуглеродистых сплавов:

1. Плотность — до 7,9 г/см3.
2. Температура плавления — до 1520 °C.
3. Удельная теплоемкость — 462 Дж/(кг·°C) при температуре окружающей среды не более 20 °C.
4. Удельная теплота плавления — 84 кДж/кг.
5. Коэффициент теплопроводности — 30 Вт/(м·К) при температуре 100 °С.
6. Коэффициент линейного теплового расширения — 11,5·10-6 1/°C.

Железоуглеродистые сплавы производятся промышленными предприятиями. К ним относятся разные виды стали, чугуна. Они применяются в разных сферах промышленности.