Сплавы на основе железа (стали и чугуны) и в настоящее время остаются основными конструкционными материалами. Более 90 % деталей изготавливается из этих материалов. Во всех технических сплавах на основе железа имеется углерод.

Железо. Для железа характерен смешанный тип связей между атомами, что проявляется в высокой температуре плавления и высоком значении модуля упругости. Сплавы на его основе имеют высокий модуль упругости, обеспечивают высокую жесткость деталей, изготовленных из этих сплавов.

Абсолютно чистое железо неизвестно. Технически чистым считается железо (около 99,85 % Fe) с содержанием примесей 0,1…0,2 %, в том числе 0,02…0,05 % С. Такое железо называется армко-железо, его используют в электротехнике в качестве магнитного материала. Железо кристаллизуется при 1539°С (рис. 4.1) и имеет полиморфные превращения при двух температурах: 1392 и 911°С.

Рис. 4.1. Кривая охлаждения железа

При температурах ниже 911°С существует Fe_α с решеткой ОЦК. В интервале температур 911 и 1392°С устойчиво Fe_γ, с решеткой ГЦК. Выше 1392°С до температуры плавления (1535 ± 9)°С железо снова имеет решетку ГЦК и называется Fe_δ. При температурах ниже 768°С железо ферромагнитно, выше 768°С железо парамагнитно (точка, соответствующая температуре768°С, называется точкой Кюри железа).

Железо со многими элементами образует твердые растворы. С водородом, азотом и углеродом железо образует твердые растворы внедрения.

Углерод. Углерод обладает свойством полиморфного превращения: имеет гексагональный тип решетки (графит) или решетку с координационным числом 4 (типа алмаза).

В виде графита углерод находится в сплавах железа типа чугунов. Температура плавления графита ~ 3500°С, плотность – 2,5 г/см³. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения Fe₃С – цементита (карбида железа) – содержит 6,67 % С.

Основными компонентами сплавов системы железо-углерод являются железо и углерод. Основными фазами и структурными составляющими системы, от которых зависят свойства и поведение сплавов при механических и тепловых нагрузках, являются: феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и продукты их эвтектического (ледебурит – Л) и эвтектоидного (перлит – П) превращения.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала (менее 0,02 %) и в сто раз больше (до 2,14 %) в γ-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом (Ф), а в γ-железе – аустенитом. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода 0,02 % и высокотемпературный δ- феррит с растворимостью углерода 0,1 %.

Рис. 4.2. Твердый раствор внедрения:

а – кристаллическая решетка при полном заполнении всех пор;

 б – кристаллическая решетка аустенита

Атомы растворенного углерода в феррите располагаются в центре граней ОЦК-решетки, а также в вакансиях, на дислокациях и других дефектах. Феррит имеет невысокую прочность, твердость и высокую пластичность. До температуры 770 ^оС он является сильным ферромагнетиком, хорошо проводит ток и тепло. Поэтому технически чистое железо (приме­няется в электротехнике), структуру которого представляют зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т.е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в Fе-С-сплавах, тем они более пластичны. При растворении в феррите Мn и Si, которые являются неизбежной при­месью реальных сталей, твердость феррита возрастает до НВ = 100 кгс/мм² (1000 МПа).

Кристаллическую структуру аустенита можно себе представить как ГЦК-решетку, состоящую из атомов железа, в которую внедрены атомы углерода. Если бы все свободные места (поры) в ГЦК-решетке были заняты углеродом, то это состояние характеризовала бы схема, изображенная на рис. 4.2, а. Но так как атом углерода больше размеров поры, то при попадании его в решетку железа последняя искажается, и остальные поры становятся недоступными для других атомов углерода (рис. 4.2, б). Аустенит – парамагнетик, он хуже проводит электрический ток и тепло, чем феррит.

Со многими элементами железо образует металлические соединения, с углеродом и азотом железо образует фазы внедрения, карбиды, нитриды, которые сильно упрочняют сплавы на основе железа.

Цементит – это химическое соединение железас углеродом – карбид железа (Fе₃С). Содержание углерода в цементите 6,67 %, температура плавления точно не установлена в связи с воз­можностью его распада и принимается равной примерно 1550°С (в литературе встречается Т_пл и 1600°, и 1250°С). Цементит при опреде­ленных условиях может распадаться на феррит и графит. До темпе­ратуры 210°С (точка Л) цементит слабо магнитен, выше 210° становится прак­тически немагнитным. Цементит является самой твердой и хрупкой фазой в сплавах Fе—С. Его твердость составляет НВ = 800кгс/мм² (8000 МПа), а пластичность практически равна нулю, поэтому он способен только к небольшим упругим деформациям. Чем больше цементита в сплавах Fе—С, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают (например, чугуны).

Различают цементит цементит первичный (Ц_I) – кристаллизуется непо­средственно из жидкого раствора системы Fе—С, вторичный (Ц_II) – продукт распада аустенита и третичный (Ц_III) – продукт распада фер­рита.

Характер связи между атомами углерода и железа в цементите точно не установлен. Однако в кристаллах цементита железо и углерод положительно ионизированы, благодаря чему цементит характеризуется некоторыми металлическими свойствами (электропроводностью, металлическим блеском).

Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых других металлов. В этом случае образуется легированный цементит. Углерод в цементите практически не растворяется.

Цементит – соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.

Ледебурит имеет эвтек­тическую структуру (колониального типа), состоящую из аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из жидкого раствора при постоянной температуре, равной 1147°С. Ледебурит содержит 4,3 % углерода. Он присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67 %, называемых чугунами (в сталях его нет). При 1147°С происходит эвтектическое превращение, в результате которого образуется ледебурит.

При температурах выше 727°С ледебурит представляет собой аустенитно-цементитную эвтектику. При температурах, равной и ниже 727°С, аустенит превращается в перлит, и образуется структура, содержащая перлит и цементит. Ледебурит – твердая и хруп­кая структурная составляющая чугунов. При обычных температурах его твердость НВ = 650 кгс/мм² (6500 МПа).

Перлит – представляет собой эвтектоидную структуру, со­стоящую из смеси зерен (пластинок) феррита и цементита, образую­щуюся при постоянной температуре, равной 727°С в результате рас­пада аустенита. При остывании аустенита до 727°С содержание в нем углерода становится равным 0,8 % и аустенит распадается на феррит и цементит. Распад аустенита называют эвтектоидным превращением, а образующую­ся смесь тонких пластинок цементита и расположенных между ними более толстых пластинок феррита – эвтектоидной смесью.

Вообще эвтектоидным превращением называют процесс,когда твердый раствор определенного состава (в данном случае аустенит) при по­стоянной температуре трансформируется в структуру, состоящую из новых твердых фаз (в данном случае феррита и аустенита). Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в форми­ровании их механических характеристик. Механические свойства перлита определяются формой и размером частиц цементитной фазы; чем мельче смесь, тем лучше свойства. Пластинчатый перлит име­етНВ = 180…220 кгс/мм³ (1800…2200МПа).

Диаграмма состояния Fe—Fe₃С (железо-цементит) имеет сложный вид (рис. 4.3). Это объясняется тем, что железо обладает полиморфными превращениями в твердом виде. Полиморфизм железа обусловливает и полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах.

По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита. Видно, что количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.

На диаграмме имеется восемь однофазных участков: на левой оси ординат отрезок AN соответствует δ-железу, отрезок NG – γ-железу, отрезок ниже точки G – α-железу.

Все модификации железа образуют с углеродом твердые растворы внедрения. В области AHN твердый раствор углерода в δ-железе – феррит (иногда обозначают δ-твердый раствор). В области NJESG твердый раствор углерода в γ-железе – аустенит. В области GSO твердый раствор углерода в низкотемпературной модификации α-железа (Ф).

Растворимость углерода в α-железе весьма незначительная, составляет при температуре 600°С около 0,01 %. В γ-железе растворимость углерода доходит до 2,14 %.

Правая ордината DFKL диаграммы Fe – Fe₃С (см. рис. 4.3) соответствует цементиту. Область выше линии ликвидус ABCD соответствует жидкому состоянию (Ж).

Рис. 4.3. Диаграмма состояния железо-цементит

В железоуглеродистых сплавах возможны три превращения, при которых число степеней свободы равно нулю, т.е. наблюдается сосуществование трех фаз.

При 1499°С (линия HJB) происходит перитектическое превращение (Ж + δА) (см. рис. 4.3).

При 1147°С (см. рис. 4.3, линия EСF) имеет место эвтектическое превращение. В результате эвтектического превращения образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита:

Ж_4,3  Э(А + Ц),

которая называется ледебуритом (Л).

При 727°С (см. рис. 4.3, линия РSК) имеет место эвтектоидное превращение. В результате этого превращения образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита:

А_0,8  Э(Ф + Ц),

которая называется перлитом.

Линия ABCD является линией ликвидус, и по этой линии изменяется состав жидкой фазы при кристаллизации сплавов. Линия AHJEF – линия солидус, в соответствии с которой изменяется состав

Линии HN и JN показывают температуры начала и конца перекристаллизации феррита (Ф) в аустенит (А). В соответствии с этими линиями изменяется состав феррита и аустенита при изменении температуры сплава. Линия GS характеризует температуру начала, линия GP – конца превращения аустенита в феррит. В соответствии с этими линиями изменяется состав аустенита и феррита при изменении температуры сплава. Линии JЕ и ES характеризуют предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры.

Рис. 4.4. Микроструктура перлита

(широкие светлые полосы – феррит; узкие темные – цементит).

По ориентировке пластин можно различить два зерна перлита (х1500)

Для того чтобы иметь представление о том, какие структуры и фазы имеют сплавы железа с углеродом в разных областях диаграммы необходимо провести полный разбор процессов, происходящих при охлаждении типовых сплавов I – VI (см. рис 4.3). Реальная структура типичных железоуглеродистых сплавов приводится на рис. 4.4 и 4.5.

Как установлено, в структуру сплава I (см. рис. 4.3) входит перлит и феррит (П + Ф) (рис. 4.5, в). Сплав II состоит из перлита (П) (рис. 4.5, г). Сплав III состоит из перлита и вторичного цементита (П + Ц»). Реальная микроструктура разобранных сплавов представлена на рис. 4.5, б, в, г, е.

Перлитная структурная составляющая состоит из чередующихся пластин феррита и цементита, что хорошо видно из структуры эвтектоидного и заэвтектоидного сплавов (см. рис. 4.5, г). В структуре сплава I (см. рис. 4.3) перлит представляется в виде однородных темных кристаллов, так как в этом сплаве перлит очень тонкодисперсный. В микроструктуре сплава III (см. рис. 4.3)  видна цементная сетка, которая располагается вокруг кристаллов перлита (рис. 4.5, е).

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении типовых сплавов IV, V, VI (см. рис. 4.3). Видно, что при 1147°С все эти сплавы претерпевают эвтектическое превращение:

Ж_4,3 > (А_2,14 + Ц_6,67),

в результате чего в структуре сплавов образуется ледебурит. На рис. 4.6, а – в приведены микроструктуры этих сплавов. Сопоставляя структуры типичных железоуглеродистых сплавов (рис. 4.5 и 4.6), их можно разделить на две группы:

1) сплавы с содержанием углерода до 2,14 % С, неимеющие в структуре эвтектики – ледебурита;

2) сплавы с содержанием углерода выше 2,14 %, в структуре которых имеется ледебуритная составляющая.

Отсутствие в структуре сплавов (с содержанием углерода меньше 2,14 % С) хрупкой эвтектики делает сплавы ковкими и пластичными, что является характерной особенностью сталей. В то же время наличие легкоплавкого ледебурита в структуре сплавов (с содержанием углерода выше 2,14 % С) повышает литейные свойства этих сплавов.

Рис. 4.5. Микроструктуры сталей (x 500):

а – структура Ф + Ц_II (0,05 % С); б – доэвтектоидная сталь, структура

Ф + П (0,15 % С); в – доэвтектоидная сталь, структура Ф + П (0,35 % С);

г – эвтектоидная сталь, структура – пластинчатый перлит П (0,8 % С);

д – эвтектоидная сталь, структура – зернистый перлит П (0,8 % С);

е – заэвтектоидная сталь, структура П + Ц_II (1,2 % С)

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода меньше 2,14 % (см. рис. 4.3) называются сталями, сплавы с содержанием углерода больше 2,14 % – чугунами. Чугуны отличаются высокой хрупкостью. Цвет излома их серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами (в отличие от серых, ковких и высокопрочных чугунов, в структуре которых углерод в основном находится в виде графитовой фазы).

Рис. 4.6. Микроструктуры белых чугунов (x 250):

а – доэвтектический белый чугун (3,2 % С), структура Л + П + Ц_II; б – структура ледебурита Л; в – заэвтектический белый чугун (5 % С), структура Л + Ц_I;

Как видно из диаграммы, фазовый состав сталей и чугунов при нормальной температуре один и тот же (Ф + Ц). Однако свойства сталей и белых чугунов различаются. Отсюда можно сделать вывод, что основным фактором, определяющим свойства сплавов железо-углерод, является их структура.

По количеству углерода и по структуре стали (см. рис. 4.5) подразделяются следующим образом:

· доэвтектоидные (0,02 % < С < 0,8 %), структура перлит + феррит (П + Ф);

· эвтектоидные (С = 0,8 %), структура перлит (П);

· заэвтектоидные (0,8 % < С < 2,14 %), структура перлит + вторичный цементит (П + Ц_II);.

По количеству углерода и по структуре белые чугуны (см. рис. 4.6) подразделяются следующим образом:

· доэвтектические (2,14 % < С < 4,3 %), структура ледебурит + перлит + вторичный цементит (П + Л + Ц_II);

· эвтектические (С = 4,3 %), структура ледебурит (Л);

· заэвтектические (4,3 % < С < 6,67 %), структура ледебурит + цементит (Л + Ц_I).