Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

«Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов»

1. Железоуглеродистые сплавы

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 1539? С. Известно три модификации железа: ( ? Fe, ? Fe, ? Fe).

Собственно железо ? имеет одно кристаллическое строение; ? высокотемпературная модификация, существует в интервале 1392?1539?С; ? низкотемпературная модификация, существует ниже 911?С; ? существует в интервале 911 ? 1392?С

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 768?С ? 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=911?С.

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

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 3500? 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 727? 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 1147? 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:

=P_мах/F₀ (Н/мм²)

Предел текучести:

= P_t/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 ? 1250? С. Магнитные свойства цементит теряет при 217?С. 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 ?С в результате эвтектоидного превращения:

А_{0,81 % С} Ф_{0,025 % С} + Ц_{6,67 % 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 1147? С:

Ж_{4,32 % С}А_{2,14 % С} + Ц(Fe₃C)_{6.37 % С}

Ледебурит (эвтектика)

Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения)

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

Таким образом, в интервале температур:

1147? С – 727? С ? Л (А+Ц);

727? С – t_комн ? 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.