Глава 6. Сплавы железа с углеродом
Сплавы железа с углеродом являются основой так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, которые служат важнейшими конструкционными материалами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят прежде всего от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодействия.
Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления углерода 3500 “С. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.
В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение — цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.
Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в a-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость 0,02% при 727 °С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.
Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в у-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14% при температуре 1147 °С и 0,8% при 727 °С. Эта температура является нижней границей суще-ствования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.
Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600 °С. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции
Fe3C -» 3Fe + С.
Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.
Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727 °С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, твердостью и повышает механические свойства сплава.
Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.