Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Металлы и сплавы - Основные свойства железа

Article Index
Металлы и сплавы
Строение и кристаллизация металлов
Основные типы сплавов
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Диаграмма состояния сплавов с образованием компонентами химического соединения
Основные свойства железа
Термическая и химико-термическая обработка стали
Химико-термическая обработка стали
Свойства, классификация и маркировка сталей
Легированные стали
Электро- и теплопроводность металлов и сплавов
All Pages
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

Основные свойства железа

Чистое железо – металл серебристо-белого цвета, весьма пластичный. Железо образует несколько окислов: FeO, Fe2O3, Fe3O4. Температура плавления Тпл=1539 °С, кипения – Ткип=2450 °С. Свойства железа в значительной степени зависят от содержания углерода, в меньшей – от других компонентов, концентрация которых ниже (Si, Mn, P, S и др.).

Для железа характерно явление полиморфизма (аллотропии), при котором твердые вещества могут изменять тип кристаллической решетки и свойства под воздействием внешних факторов (температура, давление и т.д.) Железо имеет 4 полиморфные модификации: a-, b-, g- и d-Fe. Кристаллическая решетка a-, b- и d-Fe – ОЦК с разными межатомными расстояниями, g-Fe – ГЦК. Модификации a- и g-Fe способны образовывать твердые растворы с углеродом. Другими примерами веществ, обладающих аллотропными модификациями структуры и свойств, являются: углерод (алмаз и графит); двуокись кремния (a- и b-кварц, тридимит, кристобалит, стишовит, коэсит); серое и белое олово.

Полиморфные превращения являются обратимыми, в процессе выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении). На кривой охлаждения появляются критические точки и горизонтальные участки, соответствующие процессам перекристаллизации.

На рис. 3.11 приведена кривая охлаждения железа из расплавленного состояния, на которой горизонтальными участками отделены температурные интервалы существования различных модификаций железа.

clip_image035

Рис. 3.11. Кривая охлаждения железа

При переходе b-Fe в a-Fe тип кристаллической решетки сохраняется, но меняются физические свойства: железо из парамагнитного состояния переходит в ферромагнитное, т.е. при температуре ниже 768 °С становятся возможными спонтанная намагниченность материала и его доменная структура.

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение; a–железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в a-железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность: НВ 80; sB=250 МПа (25 кгс/мм2) и высокую пластичность (Q=50 %). g-железо растворяет значительно большее количество углерода – до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в g-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160–200, Q=40¸50 %.

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe3C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите содержится 6,67 % С; он имеет высокую твердость (~НВ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность.

Диаграмма состояния железо – цементит(Fe – Fe3C)

Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде) приведена на рис. 3.12. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD – линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и чугунов. Линия AECF – линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

clip_image037

Рис. 3.12. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде)

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом.

В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образованием аустенита. По линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием 2,14–4,3 % С окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит+ледебурит. По линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием 4,3–6,67 % С окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит+ледебурит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием до 2,14 % С образуется однофазная структура – аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, в которых при кристаллизации образуется ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14 % С. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Критические точки, лежащие на линии GS, обозначают А3 (при нагреве Аc3, а при охлаждении Аr3). Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться 2,14 % С, а при 727 °С – 0,8 % С. С понижением температуры из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Аст. В чугунах с содержанием 2,14–4,3 % С при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит.

Линия PSK (727 °С) – линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом (~НВ 200). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначают А1 (при нагреве Ас1, а при охлаждении Ar1).

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже 727 °С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

Стали, содержащие менее 0,8 % С – феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями (рис. 3.13, а).

Стали с содержанием 0,8 % С – перлит, называют эвтектоидными сталями (рис. 3.13, б).

Стали с содержанием 0,8–2,14 % С – перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталями (рис. 3.13, в).

В рассмотренных выше сплавах, таким образом, имеются 3 твердые фазы – феррит, цементит и аустенит и эти же фазы в структурно связанном состоянии: эвтектоид – перлит и эвтектика – ледебурит.

В сплавах железо – углерод при распаде аустенита взможна кристаллизация углерода в свободном состоянии в виде графита.

clip_image039clip_image041clip_image043

Рис. 3.13. Микроструктура стали [7]: а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), ´500; б – эвтектоидная сталь – перлит, ´ 1000; в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит (в виде сетки), ´ 200

Графит является неметаллической фазой, он мягок и обладает низкой пластичностью, располагается в основной массе сплава, имеет развитую объемную форму в виде пластинок.

Диаграмма состояния системы железо – цементит используется на практике для определения видов и режимов термической обработки стали с целью придания сплаву необходимых свойств.