Рис. 4.2. Элементарная ячейка кристаллической структуры
цементита:
° - ионы железа; · - ионы углерода
Графит – одна из двух (алмаз, графит) кристаллических модификаций углерода. Структура графита слоистая (рис. 4.3). В слоях атомы углерода расположены по вершинам правильных шестиугольников. Каждый атом кристаллической структуры цементита окружен тремя соседними, находящимися на расстоянии, равном 0,141нм.
Слои через один сдвинуты на 0,141 нм (четные относительно нечетных). Расстояние между ними – 0,335 нм. Связь между атомами в слоях прочная, ковалентного типа, между слоями – слабая молекулярная. При коллективизации валентных электронов в слое графита он приобретает частично физические свойства металлов: высокие тепло- и электропроводность, металлический блеск и непрозрачность. Графит имеет очень низкую прочность, плохо проводит теплоту и электричество в направлениях, перпендикулярных к слоям. Под действием сравнительно небольших внешних усилий он легко расслаивается. Температура плавления графита 3850 оС.
Своеобразное строение графита придает ему целый ряд ценных свойств: жаропрочность, высокие тепло- и электропроводность, малый коэффициент трения, склонность к расслаиванию и др. Этими свойствами объясняется применение графита при изготовлении сопел реактивных двигателей и деталей ракет, электротехнических и антифрикционных изделий, смазочных веществ, красок.
Рис. 4.3. Кристаллическая структура графита:
· – ионы углерода гексагональных нечетных слоев; ° – ионы углерода
четных слоев (толстыми линиями показана полная ячейка, элементарная ячейка заштрихована)
 |
2.
В системе Fe – Fe 3 С возможны жидкая фаза, представляющая собой жидкий раствор железа и углерода, и 4 твердые - d – феррит, γ – аустенита, α – феррит и Fe 3 С. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в d – Fe или α – Fe с ОЦК решеткой. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe с ГЦК решеткой. Ликвидус – ABCD, солидус – AHNJECF.
3.
Затвердевание сплавов, содержащих до 0,5 % С, начинается с образования d - феррита по реакции Ж AB ® d - Ф AH (см. рис. 4.4). Характер дальнейшей кристаллизации сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, содержащие до 0,1 % С, полностью затвердевают в интервале температур, соответствующих линиям АВ и АН с образованием однофазной структуры d - феррита. Этой структуре соответствует область диаграммы, лежащая левее линии AHN.
Сплавы с 0,1...0,5 % С кристаллизуются несколько сложнее (рис. 4.4, а, сплав 1). После выделения из жидкости определенного количества d - феррита при 1499 оС они испытывают перитектическое превращение:
ЖВ=0,5 % С + d -ФН=0,1 % С ® А J =0,16% С .
В перитектическом сплаве, содержащем 0,16 % С (J), обе исходные фазы (Ж + d - Ф), взаимодействуя между собой при перитектическом превращении, без остатка расходуются на образование g -твердого раствора. После этого сплав приобретает однофазную структуру - аустенит.
В доперитектических сплавах, содержащих от 0,1 (Н) до 0,16 % С (J), после рассматриваемой реакции остается в избытке определенная доля d - феррита, который при дальнейшем охлаждении сплавов (в результате перестройки решетки ОЦК в ГЦК) в интервале температур, соответствующих линиям HN и JN, превращается в аустенит
Ф H - N ® А J-N.
Заперитектические сплавы (рис. 4.4, а, сплав 1) окончательно затвердевают в интервале температур ликвидус (ВС) - солидус (JЕ), при которых избыточная жидкость, оставшаяся от перитектического превращения, кристаллизуется в аустенит
Ж B - C ® А J - E.
Этой реакцией описывается также процесс затвердевания сплавов с содержанием углерода 0,5...2,14 %.
В группе сплавов, содержащих от 2,14 (Е) до 6,67 % С (F), имеется эвтектический сплав с 4,43 % С (С), который при 1147 оС (изотерма ECF), будучи предельно насыщенным одновременно углеродом и железом, кристаллизуется по эвтектической реакции:
 |
ЖС=4,3 %С 1147 ® АЕ=2,14 % С + Ц F =6.67 % С .
Образующаяся эвтектическая смесь двух фаз (А+Ц) называется ледебуритом (при данном фазовом составе - ледебурит аустенитный).
Линия АН N (см. рис. 4.4) показывает пределы растворимости углерода в d -Fe, линия GPQ - в a - Fе: 0,02 % С при 727 оС (P), 0,01 % С при 600 оС, 0,008 % С при 20 оС. Феррит левее линии GPQ является ненасыщенным твердым раствором, на GPQ он предельно насыщен. При охлаждении сплавов, расположенных на диаграмме правее PQ, ниже 727 оС из феррита, вследствие его пересыщения, выделяется углерод, что приводит к формированию цементита третичного (Ц III ) в виде сетки по границам зерен феррита. Если же в структуре сплавов (0,02... 6,67 %С) уже есть цементит, то Ц III наслаивается на него и металлографическим методом не обнаруживается.
Линия ЕS показывает пределы насыщения аустенита углеродом в зависимости от температуры сплава. Растворимость углерода максимальная при 1147 оС (Е) - 2,14 %. С понижением температуры она уменьшается до 0,8 % при 727 оС (S). В результате аустенит в сплавах правее линии Е S оказывается пересыщенным твердым раствором и из него выделяется углерод, который идет на образование цементита вторичного (Ц II). В сталях Ц II формируется обычно в виде сетки по границам зерен аустенита, в чугунах чаще всего нарастает на цементите ледебурита.
В охлаждающихся сплавах, расположенных между точками P и S (рис. 4.4, а, сплав 1), по мере образования феррита в указанном интервале температур аустенит обогащается углеродом (GS). При 727 0С содержание углерода в аустените на заключительном этапе достигает 0,8 % (S), решетка g -Fe (ГЦК) теряет устойчивость и перестраивается в решетку a -Fe (ОЦК), в котором при 727 оС растворяется только 0,02 % С (Р).
Полиморфное превращение ГЦК ® ОЦК сопровождается выделением углерода из раствора и образованием цементита:
А S =0,8 % С 727 ® ФР=0,02% С+ ЦК.
Это трехфазное превращение, обусловленное полиморфизмом железа и протекающее при 727 оС, называется эвтектоидным. В отличие от трехфазного эвтектического превращения при эвтектоидном исходной фазой является не жидкий, а твердый раствор (в данном случае аустенит). Выделяющаяся из твердого раствора смесь фаз, число которых равно числу компонентов системы, называется эвтектоидом. Структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, образующаяся в результате распада аустенита и состоящая из чередующихся пластинок двух фаз - феррита и цементита, называется перлитом (П). Температура образования перлита соответствует критической температуре А1.
На диаграмме метастабильного равновесия (см. рис. 4.4) точке А1 соответствует линия Р S К (727 0С). Эвтектоидное превращение протекает во всех 
сплавах, содержащих более 0,02 % углерода (Р), т. е. в сталях и чугунах. Поэтому в чугунах ледебурит аустенитный при эвтектоидной температуре 727 оС видоизменяется, становясь ледебуритом перлитным, Л (А + Ц) ® Л (П+Ц).
В качестве примера дополнительно подробно рассмотрим процесс структурообразования при охлаждении стали с 0,4 % С (рис. 4.4, а, сплав 1). Выше точки t 1 сталь находится в жидком состоянии и непрерывно охлаждается.
В интервале t 1 ® 1499 о C из жидкой фазы, состав которой изменяется по ликвидусу АВ, выпадают кристаллы d - феррита. Состав их определяется с помощью коноды по солидусу АН
Ж AB t 1 ® 1499 ® d -Ф AH;
С = 2 – 2 + 1 = 1, t ¹ const. При кристаллизации выделяется теплота, на участке кривой t 1 ® 1499 о C охлаждение сплава замедляется.
При температуре 1499 оC происходит трехфазное перитектическое превращение; С = 2 – 3 + 1 = 0, t = const. Жидкость состава B взаимодействует с ранее выпавшими кристаллами d - феррита состава Н. В результате образуется новая твердая фаза - аустенит состава J:
Ж B + d H ® А J
Перитектическое превращение в заперитектическом сплаве с 0,4 % С завершается с избытком жидкой фазы. Избыточная жидкость кристаллизуется при непрерывном охлаждении в интервале 1499 оС ® t 2 с образованием аустенита. В интервале t 2 ® t 3 закристаллизовавшийся сплав, имеющий структуру А, непрерывно охлаждается. При температурах t 3 ® 727 оС происходит полиморфное превращение, ГЦК решетка перестраивается в ОЦК, т. е. аустенит, состав которого изменяется по линии GS, превращается в феррит (по GP). По мере превращения массовая доля аустенита уменьшается, содержание же углерода в нем увеличивается.
Образующаяся решетка феррита (ОЦК) при данных температурах энергетически более выгодна, чем аустенита (ГЦК), и при перестройке решеток выделяется теплота, поэтому сплав на участке t 3 ® 727 оС охлаждается замедленно.
При 727 оС происходит трехфазное эвтектоидное превращение (изотерма PSK на кривой охлаждения)
А S ® Ф P + Ц K,
когда из аустенита, непревращенного в феррит, образуется перлит (Ф + Ц). В процессе дальнейшего охлаждения сплава из феррита выделяется Ц III, наслаивающийся на цементите перлитном. Структура охлаждающейся стали при температурах ниже 727 оС - Ф + П.
Массовые доли (%) феррита и перлита как структурных составляющих стали с допустимой погрешностью могут быть определены по правилу отрезков. Например, при 600 0С Ф = (0,8 – 0,4) /(0,8 – 0,01) . 100 » 50. Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, Ф = (6,67 – 0,4) /(6,67 – 0,01) . 100 » 94. Остальные 6 % приходятся на долю другой фазы - цементита.
Таким образом, структура медленно охлажденной стали, содержащей 0,4 % С, состоит из 50 % феррита и 50 % перлита (согласно фазовому анализу, 94 % Ф + 6 % Ц).
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,7% С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит. (рис. 4.5).
Вывод:
· Изучил диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, анализируя превращения, происходящие в сплавах при охлаждении и нагреве.
· Научился определять фазовые и структурные состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.
Рисунок 3: Диаграмма железо-цементит и кривая охлаждения для сплава содержащего 0,2% углерода.