ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ, сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают Ж. с. с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые Ж. с. (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследоват. целей, и технич. Ж. с.- стали (до 2% С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство к-рых измеряется сотнями млн. т. Технич. Ж. с. содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Мn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Сг, никель Ni, молибден Мо, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Сu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Се, кальций Са и др.). В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe - С. Начало науч. изучению этой системы положили рус. металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868). Аносов впервые применил микроскоп при исследовании Ж. с., а Чернов установил их кристаллич. природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдом состоянии. Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fе - С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (Германия).

Фазовые состояния Ж. с. при разных составах и темп-pax описываются диаграммами стабильного (рис. 1,а) и мета-стабильного (рис. 1,б) равновесий. В стабильном состоянии в Ж. с. встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1) - -раствор  , -раствор (ау-стенит) и -раствор (-феррит), и графит (Г).

Табл. 1. - Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов

Название фазы

Природа фазы

Структура

Твёрдый раствор внедрения углерода в a-Fe

Объёмноцентрированная кубическая

Твёрдый раствор внедрения углерода в y-Fe

Гранецентриро-

ванная кубическая

Твёрдый раствор внедрения углерода в б-Fe

Объёмноцентрированная кубическая

Полиморфная модификация углерода

Гексагональная слоистая

Карбид железа, Fe₃C

Ромбическая

В метастабильном состоянии в Ж. с. встречаются Ж,, -растворы и карбид железа Fe₃C - цементит (Ц). Области устойчивости Ж. с. в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в Ж. с. могут существовать в равновесии и три фазы.

Рис. 1. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: а - стабильных равновесии; б - метастабильных равновесии; в - с двойными линиями.

При темп-рах НВ возможно перитектич. равновесие E‘C‘F‘ - эвтектич. стабильное равновесие  при ECF - эвтектич. метастабильное равновесие при P‘S‘K‘ - эвтектоидное стабильное равновесие  при PSK - эвтектоидное метастабильное равновесие  , Диаграммы а и о вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относит. смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ Ж. с., содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Осн. причиной появления в Ж. с. высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах а и у связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растёт графит. Оно требует значит. атомных передвижений. Если Ж. с. охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных темп-рах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растёт цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных темп-pax атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении. Помимо осн. фаз, указанных на диаграммах, в технич. Ж. с. встречаются небольшие количества и др. фаз, появление к-рых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fе₃Р), окислы железа и примесей (FeO, МnО, А1₂О₃, Сr₂О₃, ТiO₂ и др.), нитриды (FeN, A1N) и др. неметаллич. фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в Ж. с. в связи с магнитными превращениями феррита (768° С) и цементита (210° С).

Строение Ж. с. определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии. В зависимости от содержания углерода Ж. с. делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем

эвтектоидная S‘ и S (табл. 2), называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые - заэвтектоидными.

Табл. 2. - Координаты точек диаграмм Fe - С

Точка

Температура, °С

Концентрация углерода, %

А

1539

0,000

В

1494

0,50

С‘

1152

4,26

С

1145

4,30

N

1400

0,000

Н

1494

0,10

‘J

1494

0,16

G

910

0,000

Е‘

1152

2,01

Е

1145

2,03

S‘

738

0,68

S

723

0,80

Р‘

738

0,023

Р

723

0,025

Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектич. С¹ и С, называют доэвтектич., а более высокоуглеродистые - заэвтектич. Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов -раствора обычно в виде денд-ритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры-раствора. Стали с 0,1-0,5% С после выделения нек-рого количества раствора испытывают перитектич. превращение . В интервале концентраций 0,10-0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16- 0,50% С кристаллизация завершается при охлаждении до темп-ры линии IE. В Ж. с. с 0,5-4,26% С кристаллизация начинается с выделения -раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) -раствора, заканчивается эвтектич. распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов: Ж->

В первом случае получаются т. н. серые чугуны, во втором - белые, в третьем - половинчатые. В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в виде разветвл. или шаровидныхвключений, а цементит -в виде монолитных пластин или проросших разветвлённым аустенитом (т. н. ледебурит). В Ж. с., содержащих более 4,26-4,3% С, кристаллизация переохлаждённого ниже линии D¹С¹ расплава в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвлённой или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC) образуются пластины первичного цементита (рис. 2, л). При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. Кристаллизация заэвтектич. чугунов, так же как и доэвтектич., завершается распадом остатка жидкости на смесь 7~раствора с высокоуглеродистыми фазами.

Строение затвердевших Ж. с. существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения Ж. с. связаны с перестройками гранецснтрирован-ной кубич. (ГЦК) решётки -Fe и объёмноцентрированной решётки (ОЦК) а- и б-Fe (ГЦК=ОЦК). В зависимости от условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место т. н. нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами. Напр., при

закалке Ж. с. в воде y-раствор переходит в а-раствор того же состава. Этот пересыщенный углеродом ос-раствор называют мартенситом (рис. 2,е). Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны. В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдого раствора (рис. 2, а). Во втором и третьем - игольчатые и пластинчатые кристаллы (рис. 2,е) с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура Ж. с. изменяется также и в связи с изменением растворимости углерода в а- и у-железе при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в а- и у-фазах.

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому Ж. с. часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл (рис. 2,г, д). При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если Ж. с., содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных темп-рах, происходит графитизация - зарождается и растёт графит, а цементит растворяется. Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна (рис. 2,м). Важную роль при формировании структуры Ж. с. в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на а-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит (рис. 2, м), при небольшом увеличении переохлаждения- феррит и сфероидизированный цементит (рис. 2,г), затем (рис. 2, в) смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение.

При переохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и у-раствор превращается в мартенсит (рис. 1, е). Строение Ж. с. можно изменять в широких пределах. Осн. методами управления структурой Ж. с. являются изменения хим. состава, условий затвердевания, пластич. деформации, термич. и термомеханич. обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойства Ж. с. Напр., важнейшие при эксплуатации Ж. с. механич. свойства изменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800НВ; предел прочности 2*10⁴ - 3,5*10⁶н/см² (2*10³-3,5*10⁵ кгс/см²); относит. удлинение от 0 до 70%.

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л.- М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963; Тыркель Е., История развития диаграммы железо - углерод, пер. с польск., М., 1968; Бунин К. П., Баранов А. А., Металлография, М., 1970.

К. П. Бунин.