Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

VII ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко.

Главные из них — сталь и

чугун

представляют собой сплавы железа с угле-

родом. Несмотря на стремительное развитие производства и применения

различного рода материалов, 93% используемых в мире конструкционных

материалов составляют стали и чугуны. Для получения заданных свойств

сталь и

чугун

вводят легирующие элементы. Ниже

будет

рассмотрено

строение и фазовые превращения в сплавах железа с углеродом, а также

фазы

в сплавах железа с легирующими элементами.

1. КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД

Чистое железо — металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26,

атомная масса

55,85

(см. табл. 1), атомный радиус 1,27 А. Чистое железо,

которое может быть получено в настоящее время, содержит

99,999%

Fe.

Технические сорта железа содержат

99,8—99,9%

Fe. Температура плавле-

ния

железа

1539°С.

Ивестны две полиморфные модификации: а и у. Моди-

фикация

а существует при температурах ниже

910°С

и выше

1392°С

(см.

рис.

27). Для интервала температур 1392—

1539°С

ое-железо нередко обозна-

чают как 8-железо.

Кристаллическая решетка а-железа — объемноцентрированный куб с пе-

риодом решетки

2,8606

А. До температуры

768°С

а-железо магнитно (фер-

ромагнитно).

Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному

превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнит-

ное,

называют точкой Кюри и обозначают А

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов

термической обработки.. Для технического железа, содержащего

99,8-99,9%

Fe, максимальная магнитная проницаемость

та

,,=

50004-10000

Гс/Э и коэрцитивная сила Н

хЬ,5 — 1 Э; для железа

с 99,99%Fe, ц

тах

= 28ООО Гс/Э и

«0,025

Э.

ПЛОТНОСТЬ

а-железа 7,68

г/см

. Температурный коэффициент линейного расширения железа

11,7-10"

°С~

, удельное электросопротивление ~ 10 • 10

Ом-см и

коэф-

фициент

теплопроводности 0,20 кал/(с-см°С). При температуре 910—

1392°С

существует у-железо; оно парамагнитно. Критическую точку а<=*у-превра-

щения

при 910° обозначают соответственно Ас

(при нагреве) и Аг

(при

охлаждении). Критическую точку перехода а?± у-железа при 1392

С обозна-

чают Ас4 (при нагреве) и Аг

(при охлаждении) \

Кристаллическая решетка у-железа - гранецентрированный куб с пе-

Критические точки Аг и Ас происходят от начальных букв французских слов: А — arreter —

остановка (площадка на кривой охлаждения и нагревания), г - refroidiss ment — охлаждение

с — choHage — нагрев.

121

•

*» "»

M W

№j?

*»• • * *

...

• •» A *

Рис.

78 Структура феррит («), aycicnuia, выив.И'нного при

1000°С

вакуумной

камере

(б;

х 150), ледебурита (в) и перлита (г; х 1500)

риодом

3,645

А при температуре 910"С. Плотность у-железа (полученная

экстраполированием

при

20°С)

выше, чем а-железа, и равна

8,0-8,1

г/см

При

превращении а -> у происходит сжатие. Объемный эффект сжатия со-

ставляет примерно 1,0%.

Углерод

является неметаллическим элементом II периода четвертой

группы (см. табл. 1), атомный номер 6, плотность 2,5 г/см

, атомная масса

12,011, температура плавления

350О°С,

атомный радиус 0,77 А.

Углерод

по-

лиморфен.

В обычных условиях он находится в виде модификации графи-

та, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод

растворим в железе в жидком и твердом состоянии, а также

может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоугле-

родистых сплавах и в виде графита.

Фазы.

В системе Fe - С различают следующие фазы-: жидкий сплав,

твердые растворы — феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит

(Ф) — твердый раствор

углерода

в а-железе. Различают

низко-

температурный а-феррит с растворимостью

углерода

до 0,02% и высоко-

температурный 5-феррит с предельной растворимостью

углерода

0,1%.

Атом

углерода

располагается в решетке феррита в центре грани куба, где

помещается

сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа Rf

, а также

вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется

виде однородных полиэдрических зерен (рис. 78, а).

122

Феррит (при

0,006%

С) имеет следующие механические свойства: а„ = 25

кгс/мм

; ст

= 12 кгс/мм

; 5 = 50%; i|/ = 80%; НЕ 80-90.

Аустенит

(А) — твердый раствор углерода в у-железе. Предельная рас-

творимость углерода в у-железе

2,14%.

Атом углерода в решетке у-железа

располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 28,6), в которой мо-

жет поместиться сфера радиусом 0,41 Кр

C^Fe — атомный радиус железа)

в дефектных областях кристалла.

Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна (рис. 78, <э).

Цементит. Это химическое соединение железа с углеродом — карбид

железа

В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет

сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура

плавления цементита точно не определена в связи с возможностью ею

распада и принимается примерно равной 1550 С. До температуры

210°С

(точка А

) цементит ферромагнитен. К характерным особенностям це-

ментита относятся высокая твердость (ЯК800

—850)

и очень малая плас-

тичность. Цементит является метастабилыюй фазой. В условиях равновесия

сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит.

Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая (см.

рис.

84,а). Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют

1,42 А, расстояние между плоскостями 3,40 А. Графит мягок и обладает

низкой

прочностью.

2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО -

ЦЕМЕНТИТ

(МЕТАСТАБИЛЬНОЕ

РАВНОВЕСИЕ)

Диаграмма состояния железо — углерод (цементит) приведена на рис. 79.

Она показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от

чистого железа до цементита (6,67% С).

Система Fe —

метастабильная. Образование цементита вместо

графита дает меньший выигрыш свободной энергии, однако кинетическое

образование карбида железа более вероятно.

На

диаграмме Fe — F"e

C точка А (1539

С) отвечает температуре пла-

вления железа, а точка D

(~155О

С) — температуре плавления цементита.

Точки JV

(1392°С)

и G (910

С) соответствует полиморфному превращению

а±?у.

Характерным точкам диаграммы состояния Fe — FejC (см. рис. 79) со-

ответствуют следующие концентрации углерода (% по массе): В—

0,51%С

жидкой фазе, находящейся в равновесии с б-ферритом и аустенитом при.

перитектической температуре

1499°С;

Я — 0,1% С (предельное содержание

5-феррите при 1499

С); J - 0,16% С - в аустените при перитектической

температуре 1499С; Е — 2,14% С (предельное содержание в аустените при

эвтектической температуре 1147

С); S - 0,8% С в аустените при эвтектоид-

ной

температуре 727 С; Р — 0,02% С (предельное содержание в феррите

при

эвтектоидной температуре 727°С).

Кристаллизация сплаиов Fe —

ЛИНИЯ

ЛВ

(ЛИНИЯ

ликвидус) показы-

вает температуру начала кристаллизации 5-феррита (Ф) из жидкого сплава

По

новым данным температура плавления FejC

1250°С.

123

1300

V 1200

% 1100

WOO

911

900

Аустенит*

Ферриты -

Ферриты

*•

цементит

(третичный)

100

•й)-

J/V

у \

1392

-A

У-

[\~-

Жидкость

\^Жидкосты-и1!сте>1ш»\^

-If

Перлит

(Аистенит*

цементит

(вторичный

Цементит*

перлит

//47

Аустени/

ле

л*

цен

дебур

у/

'[<7

ентит+1^

I-S

J1J

тина

Перлит +

цементит*

| t

/Жидкость +

цементит

(первичный)

ементит

+ ледебурит

Цементит*

/redefypum

0,8 1

Z2.H

4 4,3

%С

О 10 20 30 W

Рис.

79. Диаграмма состояния Fe — Fe

WOZFejC

(Ж);

ВС

(ЛИНИЯ

ликвидус) соответствует температуре начала кристаллиза-

ции

аустенита (А) из жидкого сплава; CD (линия ликвидус) соответствует

температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe

C) из жид-

кого сплава; АН (линия солидус) является температурной границей обла-

сти жидкого сплава и кристаллов 5-феррита; ниже этой линии

существует

только 5-феррит; HJB - линия перитёктического нонвариантного (С = 0)

равновесия

(1499°С);

по достижении температуры, соответствующей линии

HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава точки В взаи-

модействует с кристаллами 8-феррита состава точки Н с образованием ау-

стенита состава точки J):

+ Фн

4л

Линия

ECF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики —

ледебурит

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различ-

ное количество

углерода.

В сплавах, содержащих до 0,1%С, кристаллизация заканчивается при

температурах, соответствующих линии АН, с образованием 5-феррита (см.

рис.

79). В сплавах, содержащих

0,1-0,16%

С, по достижении температур,

отвечающих линии АВ, из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы

й-феррита и сплав становится двухфазным (жидкий сплав и кристаллы 8-

феррита).

При температуре

1499°С

в равновесии находятся 5-феррит соста-

ва точки Я (0,1% С) и жидкая фаза состава точки В (0,51% С).

124

При

этой температуре протекает перитектическое превращение

Ф//-> Ф

+ Aj), в результате которого образуется двухфазная структура

ё-феррит (Ф) + у-твердый раствор (А). В сплаве, содержащем 0,16% С (точ-

ка

J), исходные кристаллы твердого раствора б-феррита в результате

взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью

превращаются в аустенит: Ж

+ Фц-* Aj.

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С при перитектической темпе-

ратуре в результате взаимодействия между 5-ферритом и жидкой фазой

образуется аустенит, но жидкая фаза остается, правда, в меньшем количе-

стве (рис. 80, сплав 1): Ж

+ Фц~* Ж

+ Aj.

В связи с этим при температурах ниже линии JB сплав

будет

двух-

фазным:

аустенит + жидкость. Процесс кристаллизации закончится по до-

стижении

температур, соответствующих линии солидус JE. После затвер-

девания

сплавы приобретают однофазную

структуру

— аустенит.

Сплавы,

содержащие от 0,51 до 2,14% С, кристаллизуются в интервале

температур, ограниченном линиями ВС и JE. Ниже линии ВС сплавы со-

стоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жид-

кой

фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита — по линии солидус.

Например,

в сплаве 2 при температуре (

состав жидкой фазы определится

точкой

г, а аустенита - точкой в (рис. 80). После затвердевания (ниже линии

солидус JE) сплавы получают однофазную

структуру

— аустенит.

Первичные

кристаллы аустенита (так же как и 5-феррита) имеют вид

дендритов, величина и строение которых определяются перегревом метал-

ла выше линии ликвидус, его составом и условиями охлаждения в процессе

кристаллизации.

При

кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до

4,3%

С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих ли-

нии

ликвидус ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита. Состав жид-

кой

фазы в интервале температур кристаллизации определяется линией

ВС, а аустенита — линией JE.

Так,

сплав 3 (рис. 80) при температуре t

содержит жидкую фазу соста-

ва, отвечающего точке т, и аустенит состава, отвечающего точке п.

При

температуре

1147°С

аустенит достигает предельной концентрации,

соответствующей точке Е (2,14% С), а оставшаяся жидкость — эвтектиче-

ского состава точки С (4,3% С).

При

температуре эвтектики (линия ECF) существует нонвариантное

(С

= 0) равновесие — аустенита состава точки Е {АЕ), цементита (Fe

жидкой фазы состава точки С (Же). В результате кристаллизации жидко-

го сплава состава точки С образуется эвтектика ледебурит, состоящая

момент образования из аустенита состава точки Е и цементита:

Ледебурит

На

кривой охлаждения при кристаллизации эвтектики (ледебурита) от-

мечается площадка (рис. 80,6). Следовательно, доэвтектические сплавы по-

сле затвердевания имеют

структуру

аустенит + ледебурит (А +

Fe,C).

Фа-

зовый

состав сплава после затвердевания — аустенит и цементит.

Эвтектический

сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре

125

Время

" О,

O,IJ

1,0 /,./» 3,0 , 1,0 .1,0 %С

Время

да То ~?о То to to

70%ге,с

а) в)

Рве.

80. Диаграмма состояния Fe — Fe,C (а) и кривые охлаждения стали (б) и

чугуна

(*)

образованием только Эвтектики — ледебурита, которая состоит из

двух

фаз:

аустенита и цементита (см. рис. 80).

Ледебурит

имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном

охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пла-

стины

цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита.

Пластинчатый

ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разде-

ленных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовой

пластинчатое строение нередко сочетается в пределах одной эвтектиче-

ской

колонии (см. рис. 78, в и 82,6).

Заэвтектические

сплавы (4,3

—

6,7% С) начинают затвердевать

пониже-

нием

температуры до линии ликвидус CD. При этом в жидкой фазе заро*.

ждаются и

растут

кристаллы цементита. Концентрация

углерода

в жидком

сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. Так,

например,

при температуре г

1б

состав жидкости в сплаве 4 определится

точкой

к. При температуре

1147°С

жидкость достигает эвтектической кон-

центрации

4,3% С (точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.

После

затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цемен-

тита и ледебурита (см. рис. 80). Фазовый состав заэвтектических сплавов

после затвердевания — аустенит и цементит.

Сплавы,

содержащие до 2,14% С, называют

сталью;

сплавы, содержа-

щие

более 2,14%'С, —

чугуном.

Принятое разграничение

между

сталью и

чугу-

ном

совпадает с предельной растворимостью

углерода

в аустените* Стали

после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей —

ледебурита, и при высоком нагреве имеют только аустенитную

структуру,

обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются

при

нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от

чугуна

ковкими сплавами.

По

сравнению со сталью

чугуны

обладают лучшими литейными свой-

ствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют

меньшую

усадку.

Это объясняется присутствием в

структуре

чугунов

лег-

коплавкой

эвтектики (ледебурита).

126

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe — Fe,C (вторичная кри-

сталлизация). Полиморфные превращения в железе и изменение раствори-

мости

углерода

в аустените и феррите с понижением температуры вызы-

вают фазовые и структурные превращения. Эти превращения, протекаю-

щие в твердом состоянии, описываются линиями (см. рис. 79, 80),

приведенными ниже. Линия NH — верхняя граница области сосуществова-

ния

двух

фаз — 8-феррита и аустенита. При охлаждении эта линия соответ-

ствует

температурам начала полиморфного превращения 5-феррита в ау-

стенит. Линия NJ — нижняя граница области сосуществования 5-феррита

аустенита; при охлаждении соответствует температурам окончания пре-

вращения 5-феррита в аустенит. Верхняя граница области сосуществования

феррита (в парамагнитном состоянии) и аустенита соответствует линии

GO, т. е. температурам начала у -> а-превращения с образованием парамаг-

нитного феррита. Линия OS — верхняя граница области сосуществования

феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта

линия

соответствует температурам начала у -* а-превращения с образо-

ванием ферромагнитного феррита.

Температуры, соответствующие линии GOS в условиях равновесия,

принято

обозначать А

В сталях, содержащих до 0,8% С полиморфное у?*а-превращение про-

текает в интервале температур и сопровождается перераспределением

углерода

между

ферритом и аустенитом.

Линия

предельной растворимости

углерода

в аустените SE при

охла-

ждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вто-

ричного цементита, а при нагреве — концу растворения вторичного цемен-

тита в аустените. Принято критические точки, соответствующие линии SE,

обозначать А

ст

. Линия GP при охлаждении отвечает температурам оконча-

ния

превращения аустенита в феррит, а при нагреве — началу превращения

феррита в аустенит.

Температура точки Кюри — линия МО; при охлаждении парамаг-

нитный

феррит превращается в ферромагнитный, а при нагреве — наобо-

рот. Температуру, соответствующую линии МО, обозначают А

. Линия эв-

тектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду

аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида — феррито-цементитной

структуры, получившей название

перлит:

Перлит

Критические температурные точки, соответствующие линии PSK при

охлаждении, обозначают Аг

а при нагреве Ас

Изменения

растворимости

углерода

в феррите в зависимости от темпе-

ратуры соответствуют линии PQ. При охлаждении в условиях равновесия

эта линия соответствует температурам начала выделения третичного це-

ментита, а при нагреве - полному его растворению.

Сплавы, содержащие •< 0,02% С (точка Р), называют

техническим

же-

лезом.

Эти сплавы испытывают при охлаждении и при нагреве полиморф-

• Температура полиморфного

у+*

а-превращения в сталях, содержащих свыше 0,8% С, и

чугунах

в условиях равновесия соответствует эвтектоидной и обозначается А

127

ное

?±

а-превращение

между

линиями GOS и GP. В этом интервале темпе-

ратур

по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита,

которые

растут

в виде зерен, поглощая зерна аустенита.

Ниже

линии GP

существует

только феррит. При дальнейшем медлен-

ном

охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ,

из

феррита выделяется цементит (третичный). Выделение третичного це-

ментита по границам зерен резко снижает пластичность феррита.

Стали,

содержащие от 0,02 до 0,8% С, называют

доэвтектоидными.

Как

указывалось выше, эти стали после окончания кристаллизации состоят из

аустенита, который не претерпевает изменений при охлаждении вплоть до

температур, соответствующих линии GOS (А

При

более низких температурах (ниже GOS) по границам зерен аустени-

та образуются зародыши феррита, которые

растут,

превращаясь в зерна.

Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем

углерода

возра-

стает, так как феррит почти не содержит

углерода

(< 0,02% С).

При

понижении температуры состав аустенита изменяется по линии

GOS, а феррита — по GP. Например, при температуре t

в сплаве 1 в рав-

новесии

будет

феррит состава точки а и аустенит состава точки б.

Чем

выше концентрация

углерода

в стали, тем меньше образуется фер-

рита. По достижениии

727°С

(А,) содержание

углерода

в аустените дости-

гает

0,8% (точка S).

Аустенит,

имеющий эвтектоидную концентрацию,

распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита,

образующих перлит:

Перлит

Эвтектоидное превращение аустенита протекает при постоянной темпе-

ратуре

(см. рис. 80,6, площадка на кривой охлаждения) 12ТС. При нали-

чии

трех

фаз (при этой температуре): феррита (0,020% С), цементита

(6,67% С) и аустенита (0,8% С) - система нонвариантна (С = 2 + 1 - 3 = 0).

После

окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют струк-

туру:

феррит + перлит (рис. 81,6 —е).

Чем

больше в стали

углерода,

тем меньше в

структуре

избыточного

феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6

—

0,7% С феррит

выделяется в виде оторочки (см. рис. 81, е) вокруг зёрен перлита (феррит-

ная

сетка).

Сталь, содержащую 0,8% С, называют

эвтектоидной.

В этой стали по

достижении температуры

727°С

(точка S на рис. 79) весь аустенит превра-

щается в перлит.

Перлит

чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередую-

щихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находит-

ся

в соотношении 7,3:1. После специальной обработки перлит может

иметь зернистое строение. В этом

случае

цементит образует сфероиды (см.

рис.

81, ж,и).

Стали,

содержащие

углерод

от 0,8 до

2,14%,

называют

заэвтектоцдны-

ми. Выше линии SE в этих сплавах

будет

только аустенит.

При

температурах, соответствующих линии SE, аустенит оказывается

насыщенным

углеродом, и при понижении температуры из него выделяет-

128

Рис.

81. Микроструктура стали п зависи-

мое г» от содержании углерода (

450):

0,П6%С;

б -

0,01

%С;

« -

О,22'/,С;

0,3%С;

d -

0,4%С;

f -

0,55%С;

.ж -

0,8%С;

а- 1,3%С;

и-1.1%С

129

Рис.

82. Микроструктура

чугуна

( х 450):

а — доэвтектнческнй

чугун

(<4,3%С);

б — эвтектический

чугун

(4,3

C) и в —

заэвтектнческий

чугун

(>4,3"

С)

ся

вторичный цементит. В связи с этим при температуре ниже линии SE

сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный цементит). По ме-

ре выделения цементита концентрация

углерода

в аустените уменьшается

согласно линии SE. Так, при температуре f

состав аустенита в сплаве

2 определяется точкой д (рис. 80, а).

При

снижении температуры до A

(727°С)

аустенит, содержащий 0,8%

(точка S), превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные ста-

ли

состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде

сетки

по границам бывшего зерна аустенита (см. рис. 81, з) или в виде игл

(пластин),

закономерно ориентированных относительно аустенита. Количе-

ство избыточного (вторичного) цементита возрастает с увеличением содер-

жания

в стали

углерода.

Выделение вторичного цементита в виде сетки или игл делает сталь

хрупкой, поэтому специальной термической обработкой и деформацией

ему придают зернистую форму (см. рис. 81, и).

доэвтектических

чугунах

(2,14

—

4,3% С), например в сплаве 3 (см. рис.

80), при понижении температуры вследствие уменьшения растворимости

углерода

в аустеиите (линия SE) происходит частичный распад аустенита

как

первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустени-

та, входящего в ледебурит. Этот распад заключается, как было указано

выше,

в выделении кристаллов вторичного цементита и в уменьшении

130