Железоуглеродистые сплавы

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ.  
Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, α-железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом. Структура феррита показана на рис. 28, а. Феррит имеет низкую твердость и прочность: 80 НВ; σв=250 МПа (25 кгс/мм2) и высокую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластичнее.  

 

 

 

 

 

Рис. 28. Микроструктура: а – феррит, X 200; б – аустенит,  X 500; в – цементит (в виде сетки), X 500 

 

В значительно больших количествах растворяет углерод γ-железо (до 2,14 % при температуре 1147 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 28, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твердость его  составляет 160 – 200 НВ. 

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (более 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом исследовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 28, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.  

 

3.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (fe – Fe3C)  

 

Диаграмма состояния Fe – Fe3C приведена на рис. 29. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (≈1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF – это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).  

 

Рис. 29.  Диаграмма состояния Fe – Fe3C 

 

По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А3; при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении – Аr3. Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727 °С – 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727 °С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Аст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный. 

Линия PSK (727 °С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1, при нагреве их обозначают Аc1 а при охлаждении – Аr1.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 30, а). 

 

 

 

Рис. 30. Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь, феррит (светлые участки) и перлит (темные участки),  X 500; б  – эвтектоидная сталь, перлит X 1000; в – заэвтектоидная сталь, перлит и цементит (в виде сетки)  X 200  

 

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью (рис.  30, б).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру перлит + цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 30, в).

Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами (рис. 31, а).

Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном (рис. 31, б).

Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами (рис. 31, в).

 

 

Рис. 31. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический чугун, перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не  виден), X 500;  б – эвтектический чугун, ледебурит (темные участки – перлит, светлые – цементит), X 1000; в – заэвтектический чугун, цементит (светлые пластины) и ледебурит, X 500 

 

Рис. 32. Микроструктура низкоуглеродистой стали (по границам зерен феррита третичный цементит)

Линия PQ (см. рис. 29) показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727 °С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не выявляется. 

Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 32), уменьшая пластические свойства стали, особенно ее способность к холодной штамповке. 

 

3.3. Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов 

 

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ac1 (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас1 (727 °С) происходит превращение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + феррит. От Ас1 до Ас3 феррит превращается в аустенит. При Ас3 сталь имеет структуру аустенита. От Ас3 до tc1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса tc1 до температуры ликвидуса tл1 имеется аустенит + жидкий сплав. Выше tл1 сталь находится в жидком состоянии.  

 

 

 

Рис. 33. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде) 

При охлаждении до температуры tл1 сталь находится в жидком состоянии. При tл1 начинается кристаллизация аустенита. От tл1 до tс1 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл1 до Аr3 сталь имеет структуру аустенита. От Аr3 до Аr1 часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr1 (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 30, а). 

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас1 (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc2) начинается плавление аустенита. От tc2 до tл2 (температура ликвидуса) происходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл2 сталь находится полностью в жидком состоянии. 

При охлаждении до tл2 сталь находится в жидком состоянии. При tл2 начинается кристаллизация аустенита. От tл2 до tс2 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл2 до Ar1 (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar1 происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь имеет структуру перлита  (рис. 30, б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас1 (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный. При Ас1 происходит превращение перлита в аустенит. От Ас1 до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цементита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс3, лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс3 начинается плавление аустенита. В интервале от tс3 до tл3 сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл3 сталь полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл3 сталь находится в жидком состоянии. При tл3 (температура ликвидуса) начинается кристаллизация аустенита. От tл3 до  
tс3 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При tс3 (температура солидуса) сталь полностью затвердевает, и структура ее представляет аустенит. От tс3 до линии SE (температура Аст) структура стали не изменяется. При Аст начинается выделение вторичного цементита. 

От Аст до Аr1 (727 °С) происходит выделение вторичного цементита, и структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита. При Аr1 (727 °С) аустенит превращается в перлит. Ниже Аr1 сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный (рис. 30, в).

Доэвтектический чугун с содержанием 3,0 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас1 превращений нет, и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше Ас1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac1 до tэ, (1147 °С) происходит растворение вторичного цементита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.

При tэ плавится ледебурит. Выше tэ чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От tэ, до tл4 плавится аустенит. Выше tл4 чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл4 чугун находится в жидком состоянии. При tл4 начинается кристаллизация аустенита. От tл4 до tэ (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и при tэ чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).

При tэ, происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От tэ (1147 °С) до Аr1 (727 °С) из аустенита как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит, и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr1 (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr1 чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, а).

Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода  (рис. 33). При нагреве до Ас1 превращений нет, и чугун имеет структуру  ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цементита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас1 чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас1 до tэ происходит растворение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При tэ чугун полностью расплавляется. Выше tэ чугун находится полностью в жидком состоянии.