Название: Материаловедение - Методические указания (Н.В. Плотникова)

Жанр: Экономика

Просмотров: 2492

2.2. структурные составляющие сплава системы «железо-цементит»

В сплавах данной системы могут присутствовать следующие виды соединений железа с углеродом:

– твердые растворы;

– химические соединения;

– механические смеси.

Твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку. Твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Твердые растворы образует углерод с различными модификациями железа в зависимости от температуры нагрева сплава. К твердым растворам относятся феррит и аустенит.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в a-железе с кристаллической решеткой, представляющей объемноцентрированный куб (ОЦК). Растворимость углерода в a-железе изменяется от 0,006 \% при 20 °С до 0,025 \% при 727 °С. Феррит обладает ферромагнитными свойствами до 768 °С (точка Кюри), высокой пластичностью и низкой твердостью (~70 НВ).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в g-железе с кристаллической решеткой, представляющей гранецентрированный куб (ГЦК). Растворимость углерода в g-Fe может достигать 2,14 \% при 1147 °С.

Аустенит, в отличие от феррита, является немагнитным, достаточно вязким и твердым (~ 200 НВ).

Химическое соединение обладает рядом характерных признаков:

– соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой;

– образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов;

– определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава.

Химическое соединение железа с углеродом – цементит – представляет собой карбид железа (Fe3C), содержащий 6,67 \% С. Цементит (Ц) обладает сложной орторомбической решеткой, которую образуют 4 атома углерода и 12 атомов железа, связанные друг с другом как по ковалентному, так и по металлическому типам связи. Цементит характеризуется высокой твердостью и хрупкостью и ферромагнитен до 210 °С.

Структурно принято подразделять цементит на первичный, вторичный и третичный. Первичный образуется в виде отдельных крупных кристаллов. Вторичный и третичный цементиты образуются в затвердевшем сплаве за счет понижения растворимости углерода в железе при охлаждении. Вторичный цементит выделяется из аустенита, а третичный – из феррита.

Механические смеси двух компонентов образуются тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов обоих компонентов, отчетливо выявляемых в микроструктуре. Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен. Значения свойств смесей – промежуточные между характеристиками свойств чистых компонентов. В сплавах системы «железо–цементит» механические смеси образуются между кристаллами твердого раствора и кристаллами химического соединения. К ним относят перлит и ледебурит.

Перлит (П) – эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита вторичного. Перлит образуется при охлаждении аустенита, содержащего определенное количество углерода (0,8 \%). Если в аустените содержится иное количество углерода, то прежде из него должна выделиться фаза с малым или большим содержанием углерода (феррит или цементит). Превращение аустенита в перлит происходит в железоуглеродистых сплавах при одной и той же температуре (727 °С).

Структурно перлит представляет собой распределенные в феррите пластинки или глобули цементита. Твердость зернистого перлита составляет 160 ¸ 210 НВ, твердость пластинчатого несколько выше – 200 ¸ 250 НВ.

Ледебурит (Л) – эвтектика, механическая смесь, состоящая в момент образования при 1147 °С из кристаллов аустенита и цементита первичного. При охлаждении до комнатной температуры состав ледебурита изменяется вследствие изменений, происходящих с аустенитом, входящим в его состав. Ниже 727 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита и цементита (первичного и вторичного).

Ледебурит содержит постоянное количество углерода – 4,3 \%, является достаточно твердым (~ 700 НВ) и хрупким.

Графит (Г) – разновидность углерода, имеющего гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку (ГПУ). По структуре графит является слоистым, имеет весьма низкую твердость и прочность.