Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы (93% всех конструкционных материалов) максимальное содержание углерода в сплавах - 6,67%

В настоящее время на смену сталям идут другие сплавы: Ti, Al, Ni, Mg-вые и неметаллические материалы.

Стали - это сплавы Fe-C с содержанием углерода от 0,025 до 2,14%.

Чугун - сплавы Fe-C с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%.

Стали и чугуны - многокомпонентные сплавы, но основной элемент это углерод.

Д.К. Чернов дал первое представление о диаграмме Fe - C.

2. Компоненты железоуглеродистых сплавов

Железо (Fe): №26 (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева), атомная масса 55,58

атомный радиус 0,127 нм

Чистое железо (химически чистое) содержит 99,999% Fe. Технически чистое железо содержит 99,8 - 99,9% Fe

О чистоте железа судят по многим факторам (содержание% С, цветных металлов, других примесей). Температура плавления железа 1539є С. Известно три модификации железа: ( - Fe, - Fe, - Fe).

Собственно железо - имеет одно кристаллическое строение; - высокотемпературная модификация, существует в интервале 1392-1539єС; Ї низкотемпературная модификация, существует ниже 911єС; - существует в интервале 911 - 1392єС

Устойчивость определенной фазы диктуется более низкой свободной энергией. - Fe имеет ОЦК решетку; - Fe имеет ОЦК решетку; - Fe имеет ГЦК решетку.

Рисунок 1. Связь свободной энергии с типом кристаллической решетки железа

-Fe -период решетки 2,8606; до температуры 768єС - ферромагнитно (магнитного). Точка перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (обозначают А2).

Плотность железа: = 7,68 г./см3. Структура и - Fe:

-Fe -парамагнитно. Зерна -Fe имеют ограненные края с наличием двойников:

= 8,0-8,1 г/см3

Точка перехода в -Fe (I полиморфное превращение) обозначается А3=911єС.

Точка перехода в -Fe (II полиморфное превращение) обозначается А4=1392єС.

Рисунок 2. Кривая охлаждения чистого железа

В железе существует металлический (межатомный) тип связи. Железо является переходным металлом (не достроенная S - оболочка, достраивается d - оболочка).

Углерод (С) имеет две модификации: графит и алмаз и может быть в аморфном состоянии. Является неметаллическим (точнее полуметаллическим) материалом. Атомный номер N = 6, плотность = 2,5 г/см3, атомная масса 12,011, температура плавления 3500є С, атомный радиус 0,77. Графит - имеет слоистую гексагональную решетку. Межатомное расстояние небольшое и составляет 1,4; расстояние между плоскостями 3,4. В слоях действуют сильные ковалентные связи, а между слоями слабые силы Ван дер Ваальса. (В ковалентной связи силы равняются 700 кДж/г-атом. В силах Ван дер Ваальса - 49 кДж/г-атом).

Рисунок 3. Силы связи в кристаллической решетке углерода

Графит - мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачен и имеет металлический блеск. В алмазной модификации - существуют только ковалентные связи. Алмаз - самый твердый материал, по нему сравнивают другие элементы и твердые сплавы (в г. Алмазное производят углеродистую сажу).

3. Фазы в железоуглеродистых сплавах

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения, химическое соединения, чистые компоненты (графит).

Твердые растворы:

Феррит (Ф) - различают - Ф и - Ф

- Ф - твердый раствор внедрения углерода в - Fe (высокотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,1%.

- Ф - твердый раствор внедрения углерода в - Fe (низкотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,025% при температуре 727є С. При комнатной температуре феррит растворяет только 0,006% С.

Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (радиуса атома железа), а также в вакансиях, и дислокациях и т.д.

Рисунок 4. Внедрение атома углерода в решетку феррита

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в - Fe. Предельная растворимость углерода - 2,14% при температуре 1147є С. Атом углерода в решетке - Fe располагается в центре элементарной ячейки в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R. ГЦК решетка может растворить углерода больше, чем ОЦК.

Рисунок 5. Внедрение атома углерода в решетку аустенита

Механические свойства.

Феррит:

=250 н/мм2 (МПа)

= 120 н/мм2 (МПа)

=50%, = 80%

НВ 80-90

Аустенит: обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

Пояснения к определению механических свойств.

Данный вопрос рассматривался по дисциплине сопротивление материалов:

Предел прочности:

=Pмах/F0 (Н/мм2)

Предел текучести:

= Pt/F0 (Н/мм2)

F0 - начальная площадь сечения образца (берут F0, т. к. в течении опыта в процессе деформации сечения изменяется).

Относительное удлинение:

Относительное сужение:

Твердость (НВ, HRC, HV)- сопротивление металла небольшим пластическим деформациям.

Рисунок 6. Кристаллическая решетка цементита

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 (рис. 6). Температура плавления цементита - 1250є С. Магнитные свойства цементит теряет при 217єС. Имеет высокую твердость: > 800НВ, но очень низкую, нулевую пластичность. Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

4. Структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах

Перлит (П) - механическая смесь двух фаз, образующихся из аустенита содержащего 0,81% С ниже температуры 727 єС в результате эвтектоидного превращения:

А0,81 % С Ф0,025 % С + Ц6,67 % С

Перлит (эвтектоид)

Перлит (на поверхности полированного и протравленного микрошлифа) имеет перламутровый цвет, переливается всеми цветами. Перлит содержит 0,81% С. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок Ц и Ф.

Рисунок 7. Микроструктура перлита

Специальной обработкой (термической) может быть получен зернистый перлит. Перлит встречается в сталях и чугунах.

Ледебурит - механическая смесь двух фаз: аустенита и цементита, образующихся в результате эвтектического превращения жидкой фазы содержащей 4,32% С при 1147є С:

Ж4,32 % СА2,14 % С + Ц(Fe3C)6.37 % С

Ледебурит (эвтектика)

Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения)

Ниже 727є С аустенит входящий в ледебурит испытывает эвтектоидное превращение, т.е. превращается в перлит.

Таким образом, в интервале температур:

1147є С - 727є С - Л (А+Ц);

727є С - tкомн є С - Л (П+Ц).

Ледебурит назван в честь немецкого ученного - Ледебура.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.