Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — являются основными сплавами в современной технике. По объему производства чугуны и стали более чем в 10 раз превосходят производство всех других металлов вместе взятых.

Основное представление о строении железоуглеродистых сплавов дает диаграмма состояния железо—углерод (рис. 2.16). Она показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита.

0 0 0,8 1 2 2,14 3 4 4,3 5 6 6,67 7

Концентрация углерода, %

Рис. 2.16. Диаграмма состояния Fe—С

• 1600
• 1539
• 1400

U

о

с

С3

>; 1200

н

й

а

о

С

² 911

<и ^у

Н

А+Ф 800

ф/

Цементит — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe₃C, в котором углерода содержится 6,67 %. Температура плавления цементита — около 1250 °С. Цементит отличается высокой твердостью и очень низкой пластичностью. При определенных условиях цементит распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Железо — металл серебристого цвета, температура плавления 1539 °С. Технические марки железа содержат 99,8—99,9 % Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях: а и у (см. рис. 2.4). Важно то, что a-железо с его объемно центрированной кубической кристаллической решеткой существует в двух интервалах температур: ниже 911 °С и от 1393 до 1539 °С. Железо с последним интервалом температур иногда обозначают 8-железо. До температуры 768 °С железо магнитно (ферромагнитно). Критическая температура 768 °С соответствует переходу железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Следовательно, у-желе-зо, существующее при температурах 910—1392 °С парамагнитно.

Углерод — неметаллический химический элемент, температура плавления 3500 °С. Углерод полиморфен, в обычных условиях находится в виде графита.

Кроме цементита в системе железо—углерод различают такие фазы, как жидкий сплав и твердые растворы: феррит и аустенит.

Феррит — твердый раствор углерода в а-железе. Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 5-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис. 2.17, а).

Рис. 2.17. Микроструктуры феррита (а) и аустенита (б)

Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе (рис. 2.17, б). Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14 %.

Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). Точка А (температура 1539 °С) на диаграмме состояния соответствует температуре плавления чистого железа. Линия А СО является ликвидусом системы: выше нее сплавы находятся в жидком состоянии. Процесс кристаллизации сплавов начинается при температуре, соответствующей линии АС О. Линия ЛЕСЕ — солидус.

По линии Л С из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в у-железе — аустенита (А); следовательно, в области АСЕ будет находиться смесь двух фаз: жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии С/) из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области С7⁷/) находится смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании углерода 4,3 % и температуре 1147 °С одновременно происходит кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика — ледебурит (Л), который присутствует во всех сплавах при содержании углерода от 2,14 до 6,67 %. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания представляют собой чистый аустенит. Эти сплавы относятся к группе стали. Сплавы, содержащие более 2,14% С, называют чугуном. Стали после затвердевания не содержат малопластичной структурной составляющей — ледебурита и при большом нагревании имеют структуру чистого аустенита, который высокопластичен. Поэтому стали легко деформируются, т. е. являются ковкими сплавами.

По сравнению со сталями чугуны обладают лучшими литейными свойствами, имеют более низкие температуры плавления, но хрупки и практически не поддаются ковке, что объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой и хрупкой эвтектики — ледебурита или графита.

Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии Р8К и бРб на диаграмме состояния (см.

рис. 2.16) показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят при охлаждении вследствие перехода модификации у-железа в модификацию а-железо и распада аустенита (рис. 2.18) и феррита.

В области АС8Е (см. рис. 2.16) находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии 65 феррита (Ф), а по лини 8Е — цементита. Выпадающий из твердого раствора цементит называют вторичным (ЦП) в отличие от первичного цементита (Ц1), выпадающего из жидкого раствора. Критические точки, образующие линию 65 в условиях равновесия, обозначают Аг₃ (при охлаждении) и Ас₃ (при нагревании). Критические точки, образующие линию Е8, обозначают Ас_т. В области 65.Р находится смесь двух фаз — феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области 8Ее_х — смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке при содержании углерода 0,8 % (по массе) и при температуре 727 °С весь аустенит распадается. Одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — эвтек-тоид (т. е. подобный эвтектике), который в этой системе на-

и °СП

тоидная

Рис. 2.18. Превращения в сталях при охлаждении (А — аустенит; Ф — феррит;

П — перлит; Ц — цементит)

зывают перлитом (П). Таким образом, эвтектоид-перлит получается в результате одновременного образования из аустенита частиц феррита и цементита. Следовательно, перлит содержит 0,8 % С, образуется при 727 °С и представляет собой структуру, состоящую из двух фаз, — феррита и цементита. Температуру фазового равновесия (727 °С, линия РЗК на рис. 2.16) обозначают Аг, (при охлаждении) и Ас, (при нагревании).

Сталь, содержащая 0,8 % углерода, называют эвтектоидной; менее 0,8 % — доэвтектоидной; от 0,8 до 2,14% — заэвтекто-идной.

Так как при охлаждении сплавов по линии РЗК происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, линию РЗК называют линией перлитного (эв-тектоидного) превращения.

Сравнивая между собой превращения в точках Си 5, можно отметить следующее:

• 1) выше точки С находится жидкий раствор, выше точки 5 — твердый раствор (аустенит);
• 2) в точке С сходятся линии АС и СО — начало выделения кристаллов из жидкого раствора (первичная кристаллизация); в точке 5 сходятся линии С5 и — начало выделения кристаллов из твердого раствора (вторичная кристаллизация);
• 3) в точке С — жидкий раствор, содержащий 4,3 % С, кристаллизуется с образованием эвтектики — ледебурита; в точке 5 — твердый раствор, содержащий 0,8 % С, пере кристаллизуется с образованием эвтектоида — перлита;
• 4) на уровне точки С находится прямая ЕЕ — эвтектическое (ледебуритное) превращение; на уровне точки — прямая РК — эвтектоидное (перлитное) превращение.

Термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка металлов и сплавов заключается в нагревании их до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. В общем случае термическую обработку применяют для получения материала с заданными свойствами путем изменения его структуры. Промежуточная (предварительная) термическая обработка может выполняться также для устранения вредных побочных явлений, вызванных предыдущими процессами при изготовлении деталей; подготовки детали к следующей операции; снижения себестоимости продукции и т. д.

Термическая обработка стали изменяет ее структуру и свойства. В зависимости от требований, предъявляемых к конечному продукту (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) применяют различные виды термической обработки металла:

• • отжиг;
• • нормализацию;
• • закалку;
• • отпуск;
• • старение.

Превращения в металлах при нагревании и охлаждении

Нагревание

Первое превращение при нагревании стали происходит при температуре около 727 °С (см. рис. 2.16, линия РЯК) — это превращение феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-железо.

Температура превращения перлит—аустенит (П—А) (первая критическая точка) обозначается Ас, (рис. 2.19). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения а-железа в у-железо, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Рис. 2.19. Часть диаграммы состояния железо—углерод

Таким образом, при нагревании стали до температуры, соответствующей точке Ас,, после определенной выдержки сталь приобретает равновесный двухфазный состав: Ф + П А + Ф, (доэв-тектоидная сталь) или П + Ц -> А + Ц (заэвтектоидная сталь).

При этом в феррите содержится около 0,02 % С (точка Р), в аустените — 0,8 % С (точка 6), в цементите — 6,67 % С.

При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными изменениями их химического состава. Так, в доэвтек-тоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям РЄ и ?6? (т. е. в них фактически происходит растворение феррита в аустените).

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения цементита в аустените, приводящего к обогащению аустенита углеродом (вплоть до 2,14 % С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

На линиях 5(7 и 5? находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на линии 5(7, принято обозначать Лс₃, а на линии ЗЕ — Лс_т. Превращение перлита в аустенит — кристаллизационный процесс, который протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста. При дальнейшем нагревании доэвтектоидных сталей, начиная с температур, соответствующих Лс₃ + (30—50) °С, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях это неблагоприятное явление происходит, начиная с температур, соответствующих Лс₁ + (30—50) °С.

Охлаждение

В соответствии с режимом термической обработки после нагревания и выдержки стали при заданной (зависящей от содержания углерода) температуре следует процесс охлаждения аустенита. По достижении определенной температуры (точки на линии 5(7) аустенит доэвтектоидной стали начнет распадаться (А -> Ф + А), и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям />(7 и 5(7.

Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствующая началу выпадения феррита из аустенита, зависит от содержания в стали углерода.

Когда температура достигнет изотермы РЗК, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8 % С.

При температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит. Таким образом, при медленном охлаждении, получается исходный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после медленного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом, начиная с температур, соответствующих линии 5?, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре 727 °С сталь приобретает исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц.

Сплав с такой равновесной структурой имеет низкие прочностные свойства. Это обусловлено тем, что при достаточно медленном охлаждении в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточного феррита.

Если же сталь быстро переохладить из аустенитного состояния до температуры Аг_{, то аустенит будет претерпевать превращение. Так, эвтектоидная сталь будет представлена образованием тонкой механической смеси феррита и цементита, т. е. фазы, очень отличающейся по концентрации углерода. При температурах, близких к Аг_{, пластинки из феррита и цементита растут, среднее значение толщины А двух смежных пластинок (феррита и цементита) достигнет 0,6—1,0 мкм. Такую структуру называют пластинчатым перлитом.

При переохлаждении в 100—120 °С пластинки феррита и цементита увеличатся лишь до толщины в 0,25—0,30 мкм. Такую структуру называют сорбитом.

Если переохлаждение достигнет 180—200 °С, рост пластинок остановится в самом начале и составит 0,1—5—0,15 мкм. Такую структуру называют трооститом.

Таким образом, структуры диффузионной перекристаллизации аустенита — перлит, сорбит и троостит — являются пластинчатыми ферритно-цементитными структурами и различаются лишь по степени дисперсности пластинок.

Механические свойства пластинчатых структур эвтектоидно-го типа:

Перлит Сорбит Троостит

Д, мкм......................... 0,6—1,0 0,25—0,3 0,2—0,15

НВ............................... 180-250 250-350 350-450

Наивысшие значения относительного удлинения и относительного сужения имеет сорбит. При переходе к трооститу пластичность уменьшается.

При большем переохлаждении аустенита (до 240 °С и ниже) происходит его бездиффузионный распад, при котором атомы железа из решетки у перестраиваются в решетку а, а углерод не успевает выделиться и образовать частички цементита. Он остается растворенным в решетке а, образуя пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе, который называют мартенситом. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость. С увеличением в нем содержания углерода она возрастает. Так, в стали с содержанием углерода 0,6—0,7 % твердость мартенсита в 6 раз больше твердости феррита. В то же время большой удельный объем мартенсита является причиной возникновения при закалке больших внутренних напряжений, которые вызывают деформацию изделия и даже трещины.

Режим термической обработки должен выбираться и с учетом возможности управления прочностью путем регулирования размера зерен — структурных составляющих стали.