Содержание Введение стр.3 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов стр.5 Компоненты сплавов железо-углерод стр.6 Фазы стр.8 Структуры стр.9 Превращения в сплавах железо – углерод стр.11 Стали и чугуны стр.17 Введение На сегодняшний день 80% всех конструкционных материалов это металлы, а железо, для современной цивилизации, – важнейший из них. Из всех конструкционных материалов, используемых в современной технике на долю сплавов железа (чугун, сталь, ферросплавы) приходится до 95%. Из них особо выделяются железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны. Это продиктовано относительной дешевизной их производства, а также положительными конструкционными свойствами: пластичности, твёрдости и прочности. Всё это обусловлено соотношением железа и углерода, которые называются компонентами. Компоненты образуют фазы – составные части системы, имеющие одинаковый состав и агрегатное состояние, отделенные от других фаз четко выраженной границей раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Форма, размеры, характер взаимного расположения фаз в металлах или сплавах описывается понятием структура. Из каждых двух произвольно взятых компонентов можно создать множество сплавов разного состава и свойств. Но перебирать варианты в поисках наилучшего нерационально. сочетания Значит, нужно для конкретной иметь технической информацию, цели позволяющую предварительно оценить возможности обработки сплава и получения нужных свойств. Такую информацию дают диаграммы состояния сплавов. Диаграмма состояния железо-углерод даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Начало изучения диаграммы железо-углерод связано с открытием критических точек в стали Д.К.Черновым в 1868 г. В работе «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова поэтому же предмету» Дмитрий Константинович Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода. Другими словами, Чернов дал первое представление о диаграмме железо-углерод. 2 Впоследствии свои высказывания о влиянии углерода на положение критических точек Чернов изобразил графически, воспроизведя очертание важнейших линий диаграммы железо-углерод. Д.К. Чернов определял положение критических точек на глаз, по цветам каления стали. Знаменитый французский исследователь Ф. Осмонд, воспользовавшись только что изобретённым Ле-Шателье пирометром, определил положение критических точек, описал характер микроструктурных изменений при переходе через критические точки и дал названия основных структур железоуглеродистых сплавов, употребляющихся и сейчас. 3 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов 4 Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния сплава в зависимости от температуры и состава. Диаграмма состояния строится в координатах «температура-состав» и показывает равновесные фазы, возникающие в сплавах при различных сочетаниях этих факторов. И диаграммы состояния в очень лаконичной форме содержат огромную информацию о сплавах, их свойствах и поведении. Надо только уметь их читать. Диаграммы состояния являются равновесными, т. е. строятся в условиях очень медленного охлаждения от температуры плавления до комнатной. Фазы, получаемые в таких условиях, соответствуют минимальным значениям свободной энергии. Изучают состояние сплава, применяя микроанализ, рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, магнитные методы, определение физических и механических характеристик. Особенностью диаграммы железо-углерод, или железо-цементит (FeFe3C), является наличие двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Максимальная растворимость углерода в железе 6,69% – 100%ый цементит, поэтому отображение шкалы, показывающую содержание углерода со значениями выше, теряет смысл. Компоненты сплавов железо-углерод Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод. Железо (Fe) – блестящий серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 ° С. Железо, как и некоторые другие металлы, при разных температурах может иметь различную кристаллическую решетку. Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название 5 полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (Feα), при более высоком индексе β, затем γ и т.д. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. В твердом состоянии Fe испытывает два полиморфных превращения. Это превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии. Важнейшее из них – превращение при 911 ºC. Ниже этой температуры железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) с параметром a = 0,286 нм. Это α-железо (Feα). Выше 911 ºC существует γ-железо (Feγ) с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК) и параметром a = 0,364 нм. α-железо ферромагнитно, а высокотемпературная модификация γжелеза парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами. Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой происходит при 1392 ºC. Оно меньше влияет на структуру и свойства сплавов, поэтому далее не рассматривается. Обозначение β-железо присвоено парамагнитному железу с ОЦК решеткой, которое существует от точки Кюри (768 ºC) до 911 ºC. 6 Углерод (C) при нормальных условиях существует в виде графита с гексагональной слоистой кристаллической решеткой. Углерод не плавится при нагреве, а возгоняется (переходит в газовую фазу) при температуре 3800 ºC. Он мягкий, непрочный, хорошо проводит электричество. Модификация алмаза с решеткой, где каждый атом имеет четыре равноудаленных соседа, стабильна только при высоких давлениях и температурах. В сплавах с железом алмазная решетка углерода не встречается. Фазы Углерод может растворяться в жидком железе и в решетках обеих полиморфных модификаций, а также образует с железом химическое соединение. Поэтому в сплавах могут присутствовать следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит(Г). Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в α-железо с предельной растворимостью 0,02% С. Атомы углерода размещаются в дефектах кристаллической решетки железа, так как поры ОЦК решетки для них слишком малы. Феррит мягок и пластичен: HB = 80-100. (HB (от англ. Hardness Brinell) — обозначение твёрдости материалов при измерении её по методу Бринелля.) Аустенит – это твердый раствор внедрения углерода в γ-железо с предельной растворимостью 2,14% С. Атомы углерода размещаются в порах 7 ГЦК решетки железа. Аустенит пластичен, но прочнее феррита: HB = 160200, в зависимости от концентрации углерода. Цементит Fe3C– это химическое соединение углерода с железом, т.е. карбид железа, содержащий 6,69% C. Имеет сложную ромбическую решетку, очень тверд и хрупок: его твердость составляет приблизительно 800HB. Цементит при длительном нагреве свыше 1000 ºC разлагается на железо и углерод. При быстром нагреве (лучом лазера) плавится при 1260 ºC. Графит – это чистый углерод: мягкий, непрочный, химически стойкий, хорошо проводит электричество. Структуры Кроме перечисленных фаз, в структуре сплавов железа с углеродом присутствуют две структурные составляющие: эвтектика и эвтектоид. Эвтектоид – перлит (0,8% С) и эвтектика – ледебурит (4,3% С) являются самостоятельными структурными составляющими и оказывают большое влияние на свойства железоуглеродистых сплавов. Принципиальное отличие эвтектической составляющей от эвтектоидной заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов - из аустенита. Эвтектика (от греческого слова «легкоплавкая») – смесь очень мелких кристаллов двух компонентов, кристаллизующаяся при постоянной и самой низкой для данной системы температуре. В системе железо – углерод 8 эвтектика содержит 4,3 % С и кристаллизуется при температуре 1147 ºC. Она представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит (в честь австрийского ученого-металлурга Ледебура): Л = А + Ц. Сплав в точке эвтектического равновесия называют эвтектическим; сплавы в левой области диаграммы, до этой точки, называют доэвтектическими, а в правой области – заэвтектическими. Эвтектоид – это механическая смесь кристаллов двух твердых фаз, которая образуется при распаде твердого раствора (а не кристаллизуется из жидкости, как эвтектика). В системе железо – углерод эвтектоидом является смесь, содержащую 0,8 % С, состоящую из пластинчатых кристаллов феррита и цементита, которая образуется за счет распада аустенита при температуре 727 ºC: А → Ф + Ц. Сплав в точке эвтектоидного равновесия называют эвтектоидным; сплавы в левой области диаграммы, до этой точки, называют доэвтектоидными, а в правой области – заэвтектодными. Смесь феррита и цементита называют перлитом (от слова «перламутр», так как на протравленной поверхности сплава перлит дает радужную окраску, напоминающую внутренние створки раковины моллюска). Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом. В нем мягкие, вязкие пластины феррита чередуются с прочными, твердыми, жесткими пластинами цементита: П = Ф + Ц. Такая структура хорошо сопротивляется самым разным механическим нагрузкам, обладает высокой прочностью и достаточной вязкостью. Твердость перлита составляет 180-220 HB, в зависимости от размера зерна. 9 Превращения в сплавах железо – углерод Диаграмма железо – углерод строится в тех же координатах, что и диаграммы состояния других сплавов: по оси абсцисс – концентрация углерода в сплавах, по оси ординат – температура. Приведенная с некоторыми упрощениями диаграмма заканчивается ординатой, соответствующей химическому соединению железа с углеродом – цементиту (6,69% C). Правее этой концентрации диаграмму обычно не изображают, так как эти сплавы не имеют практического применения. Диаграмма состояния железо – цементит. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус. Ликвидус (от латинского слова liqua – жидкость). Выше этой линии все сплавы системы находятся в жидком состоянии. Линия ABCD – ликвидус 10 диаграммы. В левой части, под кривой ABC, кристаллизуется аустенит, а в правой, под кривой CD, – цементит. Солидус (от латинского слова solid –твердое тело). Ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Солидус диаграммы AHJECF состоит из криволинейного участка AHJE, на котором заканчивается кристаллизация аустенита, и горизонтального участка ECF, на котором образуется эвтектика, состоящая из аустенита и цементита: Ж4,3 → А2,14 + Ц6,7 В сплавах, расположенных левее точки C, по мере образования аустенита концентрация углерода в жидкости растет, так как аустенит содержит не более 2,14% С. А в сплавах, расположенных правее точки C, наоборот, по мере кристаллизации цементита содержание углерода в жидкости снижается. К моменту достижения температуры 1147 ºC жидкий раствор в любом сплаве имеет эвтектическую концентрацию: 4,3 % С. Разница между реальными температурами кристаллизации и плавления называется температурным гистерезисом. Точка А определяет температуру плавления чистого железа. Точка D температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода низкотемпературном соответственно феррите. Точка в E высокотемпературном определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Обозначе ние точки А H J B N D E Темпера Концентрация Обозначе Темпера Концентрация тура в углерода в % ние точки тура в углерода в % ºC ºC 1 539 0 C 1 147 4,3 1 499 0,1 F 1 147 6,69 1 499 0,16 G 911 0 1 499 0,51 P 727 0,02 … 0,03* 1 392 0 S 727 0,8 1 260 6,69 K 727 6,69 1 147 2,14 Q 20 0,006 Характерные точки диаграммы состояния Fe-Fe3C 11 и Превращения в сплавах системы железо-цементит происходят как при затвердевании жидкой фазы (первичная кристаллизация), так и в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация происходит при 911 ºC в результате превращения железа из одной модификации (Feγ) в другую (Feα). Растворимость углерода в аустените (Feγ) и в феррите (Feα) с понижением температуры уменьшается (линии ES и PQ соответственно), а избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита, содержащего 6,67% С (линия DFKQ). Принято обозначать цементит, выделившийся из жидкости по линии СD – первичным (ЦI), из аустенита по линии ES – вторичным (ЦII) и из феррита по линии PQ – третичным (ЦIII). В системе железо-цементит три изотермических превращения: Перитектическое превращение происходит при 1 499 ºC (линия HJB): ФH + ЖB → АJ. Сплав с содержанием углерода менее 0,1%, кристаллизуется в зоне ABH и не испытывает перитектического превращения. При кристаллизации образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале зоны HJN происходит перекристаллизация феррита в аустенит. У сплава с содержанием углерода от 0,1 до 0,16%, в интервале ABH выделяется феррит. При переходе в зону HJN в сплаве содержится избыточный феррит. Перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении небольшого количества феррита (ФH(ост)): ФH + ЖB = АJ + ФH(ост). При последующем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит. Сплав с содержанием углерода 0,16% (точка J) образует кристаллы феррита в зоне ABH. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой с образованием кристаллов аустенита (состав точки J). Сплав с содержанием углерода от 0,16 (точка J) до 0,51% (точка B), при температуре вхождения в зону BCE имеют избыточную жидкую фазу, поэтому перитектический процесс заканчивается образованием 12 аустенита при сохранении небольшого количества жидкой фазы: ФH + ЖB = АJ + ЖB (ост). При дальнейшем охлаждении в интервале температур зоны BCE из оставшейся жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Все сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, имеют аустенитную структуру. Эвтектическое превращение при 1147 ºC (линия ECF): ЖС → [АЕ + ЦI], при этом образуется ледебурит (Л). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % – к чугунам. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо-цементит, отличаются высокой хрупкостью. В них весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами. Чугуны делятся по отношению к эвтектической точке С: - на доэвтектические (от 2,14 до 4,3 % углерода); - эвтектический (4,3% углерода); - заэвтектические (от 4,3 до 6,67 % углерода). В доэвтектическом белом чугуне (3,0% С) кристаллизация начнется при пересечении BC с выделения аустенита и закончится при пересечении ECF. При подходе к линии ECF сплав состоит из аустенита предельного насыщения (точки Е) и жидкой фазы эвтектического состава (точки С). На линии ЕCF жидкая фаза испытывает эвтектическое превращение: Ж → А + Ц. Таким образом, по окончании первичной кристаллизации структурные составляющие сплава – первичные зерна аустенита и ледебурит, а фазовые составляющие сплава – аустенит и цементит. Поскольку аустенит имеет максимальное содержание углерода (2,14 %), при последующем охлаждении сплава из аустенита непрерывно выделяется вторичный цементит. Количество аустенита уменьшается, а количество цементита увеличивается. С понижением температуры концентрация углерода в аустените уменьшается согласно ходу линии ЕS. При подходе к линии РSК сплав состоит из аустенита. 13 При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр.). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (700 HB) и хрупкость. Эвтектический белый чугун (4,3 % С) на линии ECF кристаллизуется сразу с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава из аустенита выделяется вторичный цементит, а на линии PSK происходит перлитное превращение: АS → П + Ц. При комнатной температуре фазовые составляющие – феррит и цементит, структурные составляющие – превращенный ледебурит, вторичный цементит и перлит. Чугун с 5,5 % углерода является заэвтектическим. Его кристаллизация начнется на линии ликвидуса DС с выделения цементита, называемого первичным. Выделение цементита продолжается до линии ECF, и жидкая фаза, объединяясь углеродом, становится по составу соответствующей эвтектической точке С. На линии ЕСF происходит образование ледебурита по известной реакции: Ж → А + Ц. Структурные составляющие – первичный цементит и ледебурит. Вся аустенитная фаза сплава является составляющей ледебурита. При понижении температуры аустенит, объединяясь с углеродом, выделяет вторичный цементит по линии ES. Структурные составляющие – первичный и вторичные цементит и ледебурит. Наконец, на линии РSК аустенит превращается в перлит. Таким образом, структурные составляющие заэвтектического чугуна представлены как цементит первичный, вторичный, превращенный 14 ледебурит и перлит. Фазовыми же составляющими сплава будут те же феррит и цементит. Эвтектоидное превращение при 727 ºC (линия PSK): АS → [ФР + ЦII]. Происходит образование перлита (П). Сплавы, не испытывающие эвтектоидного превращения, с содержанием углерода менее 0,002% (точка Q), при комнатной температуре имеют однородную структуру феррита, которая получается в результате распада аустенита области GSP. В интервале концентраций углерода 0,002 до 0,02% после образования феррита и перехода линии PQ из него начинает выделяться третичный цементит и при комнатной температуре образуется двухфазная структура – феррит и третичный цементит. Цементит располагается по границам зерен в виде прослоек, что несколько снижает технологичность этих сплавов. Все сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8 % углерода, в аустените зарождаются и растут зерна новой, равновесной при низкой температуре, фазы – феррита (область GSP). При этом концентрация углерода в аустените растет, так как феррит углерода почти не содержит. К моменту достижения температуры 727 ºC аустенит содержит 0,8% углерода и в момент эвтектоидного превращении аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру сплава. Стали этого типа и называют доэвтектоидными сталями. Количественное соотношение между ферритом и перлитом в этих сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. В сплавах с содержанием углерода 0,8% эвтектоидное превращение происходит при температуре 727 ºC (PSK). В результате превращения из аустенита выделяются феррит (с содержанием графита 0,02%) и цементит. Превращение идет при постоянной температуре и постоянном составе фаз так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней 15 свободы рано нулю. Стали этого типа и называют эвтектоидными сталями. На микрофотографиях этих сталей отчетливо видны пластинки перлита. Эвтектоидному превращению, с содержанием углерода более 0,8%, ниже линии ES предшествует выделение из аустенита вторичного цементита. Этот цементит называют вторичным, потому что он выделяется из твердого раствора, а не кристаллизуется из жидкости. Это вызвано уменьшением растворимости графита в аустените. При охлаждении до температуры 727 ºC аустенит обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK также испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой. Стали этого типа и называют заэвтектоидными. Итак, при температуре эвтектоидного превращения (727 ºC) аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию (0,8% С), распадается на механическую смесь кристаллов феррита и цементита: А0,8 → Ф0,02 + Ц6,7 При нормальной температуре все многообразие структур в сплавах железа с углеродом строится из двух равновесных фаз: феррита и цементита. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы в соответствии с диаграммой Fe-Fe3C подразделяют на стали (меньше 2,14%) и чугуны (свыше 2,14%). Стали и чугуны Сплавы железа с углеродом издавна разделяли на две большие группы: стали и чугуны. Границей между этими двумя группами сплавов является точка E с содержанием углерода 2,14% – предел растворимости углерода в железе. Но и задолго до появления точных методов анализа, и вообще материаловедения как науки, мастера плавильного и кузнечного дела прекрасно отличали сталь от чугуна, получали их и обрабатывали. Эти сплавы имеют совершенно 16 разные технологические свойства: сталь можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую проволоку, с чугуном же это проделать не удастся, он разрушается от ударных и растягивающих нагрузок. Зато чугун является одним из лучших литейных сплавов, позволяя получать тонкостенные фасонные отливки. Эта разница в свойствах становится понятна, если проанализировать диаграмму состояния железо – углерод. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый. Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Это значит, что такие сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные. Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления. 17 По структуре различают следующие группы сталей: 1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит; 2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает; 3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита; 4) Структура заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками. Чугуны, изображенные на диаграмме, относятся к группе белых чугунов. В них весь углерод находится в связанном виде – в виде цементита Fe3C. По структуре различают следующие разновидности белых чугунов: 1) доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Структура сплавов состоит из эвтектики (ледебурита) и участков перлита; 18 2) Структура эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3%. сплава – ледебурит, состоящий из цементита (светлая составляющая) и перлита (темные участки); 3) заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,69 %. Структура состоит из пластин первичного цементита и ледебурита. 19
