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_a (ОЦК) D Fe _g (ГЦК) D Fe _d (ОЦК)

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 a-феррит (Fe_a) с растворимостью до 0,02% С (точка Р) и высокотемпературный d-феррит (Fe_d) с предельной растворимостью до 0,1% С (точка Н). Феррит существует при температурах:

Феррит

Fea (ОЦК) t £ 911°C Fed (ОЦК) 1392°C £ t £ 1539°С

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

Аустенит существует в интервале температур 911–1392°С. фазовое превращение
Fe_a « Fe_g протекает при температуре 911°С (точка G). Превращение Fe_g « Fe_d протекает при 1392°С (точка N).

Аустенит Fe_g (ГЦК) 911°C £ t £ 1392°С

Fe_a « Fe_g t =911°С (точка G)

Fe_g « Fe_d 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.

10.3. Характеристика фазовых превращений

ABCD – линия ликвидус, при достижении температур, соответствующих при охлаждении сплава этой линии, в сплавах начинают появляться первые кристаллы твёрдой фазы.

AHJЕCF – линия солидус, при достижении температур, соответствующих при охлаждении сплава этой линии, в сплавах исчезают последние капли расплава.

Линии полиморфных превращений: линииHN и NJ –превращениеdžg; линииGS и PG –превращениеgža.

Образование цементита в сплавах при охлаждении:

линияDC: L ž Fe₃C^I

линияES:g ž Fe₃C^II

линияPQ:a ž Fe₃C^III

HJB – линия перитектического превращения, протекающего при постоянной температуре, равной 1499°C,с постоянными концентрациями участвующих компонентов:

t = 1499°C: L_0,5+d_0,1®g_0,16 линия HJB

Сплавы с содержанием до 0,1% С не претерпевают перитектического превращения.

В точке перитектики J, то есть в сплаве содержащем 0,16% С, в результате перитектического превращения из жидкого расплава (с концентрацией 0,5% С) и кристаллов d-феррита (Fe_d) (с концентрацией 0,1% С) образуется аустенит Fe_g (с концентрацией 0,16% С). То есть все исходные кристаллы d и вся жидкая фаза полностью расходуются на образование аустенита.

С = 0,16% L_0,5+d_0,1®g_0,16 HJB (1499°C)

Сплавы, содержащие от 0,1 до 0,16% С испытывают перитектическое превращение с избытком кристаллов Fe_d, поэтому при температурах ниже линии HJ такие сплавы будут двухфазными (d+g) до температур, соответствующих линии солидусNJ, после чего сплавы приобретут однофазную структуру – аустенит (g).

0,1% £ С £ 0,16% L_0,5+d_0,1®d_0,1+g_0,16. HJB (1499°C)

Fe_d ® Fe_g HJ¸ NJ

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,5% С при перитектическом превращении d-фаза расходуется полностью, а жидкая фаза остается в избытке, поэтому при температурах ниже линии JB сплав будет двухфазным (L+g), и процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидусJE, после чего сплавы приобретут однофазную структуру – аустенит(g).

0,16% £ С £ 0,5% L_0,5+d_0,1® L_0,5+g_0,16 HJB (1499°C)

L ® Fe_g JВ¸ JЕ

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого расплава кристаллизуется аустенит (g), а по линии CD – цементит первичный (Fe₃C^I).

Горизонталь ЕCF – линия эвтектического превращения, протекающего при постоянной температуре 1147°С. В точке эвтектикиС (при концентрации углерода 4,3%) из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом:

t = 1147°С: L_4,3® g_2,14+Fe₃C_6,67 линия ЕCF

(g+Fe₃C) - ледебурит (смесь аустенита и цементита)

Сплавы содержащие от 0,5 до 2,14% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями BC и JE. После затвердевания сплавы имеют однофазную структуру – аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов (чугунов), содержащих от 2,14 до 4,3%С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидус ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1147°С (линия ECF) в них происходит эвтектическая реакция с образованием ледебурита (g+Fe₃C).

Заэвтектические сплавы (чугуны), содержащие от 4,3 до 6,67% С, начинают затвердевать по достижении температур, соответствующих линии CD. Из жидкости выделяются кристаллы цементита первичного (Fe₃C^I), а по достижении 1147°С в этих сплавах происходит эвтектическое превращение с образованием ледебурита (g+Fe₃C).

Критические точки, образующие линию GS, соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него феррита (a), а линия ES соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита вторичного (Fe₃C^II).

Горизонталь PSK – линия эвтектоидного превращения, протекающего при постоянной температуре 727°С.В результате эвтектоидного превращения образуется перлит (П):

t = 727°С: g_0,8®a_0,02+Fe₃C_6,67 PSK

(a+Fe₃C)-перлит (смесь феррита и цементита)

Сплавы содержащие не более 0,02%С (точка Р), называют техническим железом.

Сплавы, имеющие концентрацию углерода от 0,02 до 0,8% С, называют доэвтектоидными сталями. Сталь с 0,8% С называют эвтектоидной. Сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называют заэвтектоидными сталями.

Линия PQ при охлаждении соответствует началу выделения из феррита (a) цементита третичного (Fe₃C^III).

10.3. кривые ОХЛАЖДЕНИЯ сплавов

сплав Fe + 0,3% C

Рис. 10.3. Кривая охлаждения сплава, содержащего 0,3% С

10.4. классификация углеродистых сталей

по составу и структуре

Таблица 1. Структура различных сталей при комнатной температуре

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру (см. табл.1). Однако фазовый состав всех сплавов одинаков; при температурах ниже 727°С они состоят из феррита и цементита.

Структурные составляющие обладают разными свойствами:

– феррит – мягкий, пластичный, НВ=800 МПа;

– цементит – твердый, хрупкий, НВ>8000 МПа;

– перлит – достаточно пластичен, НВ=1800–2500 МПа.

10.5. зависимость свойств углеродистых сталей

от содержания углерода и постоянных примесей

Рис 10.4. Зависимость механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода

Fe: Т_пл = 1539°С, g = 7,8 г/см³, до t = 768°C железо ферромагнитно; s_В = 250 МПа;
s_0,2 = 120 МПа; d = 50%; y = 85%; KCU = 3МДж/м²; НВ = 80.

Fe₃C (Ц): до t = 210°C цементит ферромагнитен.

Влияние углерода. Твёрдость стали повышается из-за увеличения количества цементита. Прочность стали возрастает до концентрации углерода в ней 0,8% С, т.к. в доэвтектоидных сталях увеличивается количество перлита. В заэвтектоидных сталях происходит хрупкое разрушение, и прочность снижается вследствие присутствия в структуре цементита вторичного (Ц^II). Пластичность и ударная вязкость снижаются с увеличением содержания углерода.

Стали используют как литейный и деформируемый материал. В качестве литейных применяются только малоуглеродистые стали (литейные свойства лучше до 0,25 – 0,3% С). С увеличением содержания углерода увеличивается интервал кристаллизации и ухудшаются литейные свойства.

Стали широко применяют в качестве деформируемых сплавов. Стали сильно нагартовываются в процессе холодной пластической деформации. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше степень упрочнения.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. Она образует соединение FeS, которое в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику. При деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости.

Кроме того сера снижает предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Поэтому содержание серы в стали строго ограничивается до 0,035–0,06%.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой стали в качестве примеси обычно не превышает 0,35–0,4%, а марганца 0,5–0,8%.

Кремний сильно повышает предел текучести, а марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности, но резко уменьшает красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние фосфора. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает временное сопротивление разрыву и предел текучести, но сильно уменьшает пластичность и вязкость. Фосфор повышает порог хладноломкости и уменьшает работу развития трещины.

В большинстве сталей фосфор является вредной примесью. В зависимости от качества стали допускается £0,025–0,08%Р.

Влияние азота, кислорода и водорода. Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают сопротивление хрупкому разрушению и предел выносливости стали.

Очень вреден растворенный в стали водород, который охрупчивает сталь и приводит к образованию очень мелких трещин (флокенов).

10.6. чугуны

Доэвтектические (2,14–4,3%С) чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру П + Л + Ц^III (таблица 2). Эвтектический чугун (4,3%С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита, а заэвтектические чугуны – из первичного цементита и ледебурита.

Таблица 2. Структура различных чугунов при комнатной температуре

углерод в чугуне может находиться в виде цементита (белый чугун) или графита (серый чугун) или одновременно в виде цементита и графита.

рис.10.3. влияние углерода и кремния на структуру чугуна (заштрихованная область – наиболее распространенные чугуны)

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

1. белый чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита Fe₃C. Структура такого чугуна – перлит и ледебурит (область I на рис.10.3).
2. половинчатый чугун, большая часть углерода (>0,8%) находится в Fe₃C. Структура такого чугуна – перлит, ледебурит и пластинчатый графит (область II).
3. перлитный серый чугун, структура его – перлит и пластинчатый графит (область III).
4. феррито-перлитный серый чугун, структура его – перлит, феррит и пластинчатый графит (область IV).
5. ферритный серый чугун, структура:феррит и пластинчатый графит (область V). Весь углерод находится в виде графита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун - это сплав Fe–Si–C, содержащий в качестве примесей Mn, P и S. В структуре серого чугуна весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4–3,8%С.

Белые чугуны, как самостоятельный конструкционный материал, не применяются из-за высокой хрупкости вследствие присутствия в них большого количества цементита. Белые чугуны используют как передельные чугуны при выплавке стали, а также для ковкого чугуна путём длительного отжига белого доэвтектического чугуна.

сплав Fe + 2,5% C (белый чугун)

Рис. 10.4. Кривая охлаждения сплава, содержащего 2,5% С (белый чугун)