Структура железоуглеродистых сплавов может содержать либо чистый углерод (графит), либо химическое соединение (цементит) в качестве обогащенного углеродом компонента. Первый из них стабилен, в то время как второй является метастабильным.
Диаграмма железо-углерод (Рисунок 1). Пунктирные линии обозначают стабильную диаграмму Fe-C, а сплошные линии обозначают метастабильную диаграмму Fe-Fe3C.
Решетки аллотропных форм железа (δ, γ и α) служат местами образования твердых растворов углерода в железе δ, γ и α (те же символы приняты для обозначения твердых растворов).
Когда сплавы с низким содержанием углерода кристаллизуются, кристаллы твердого раствора δ осаждаются на уровнях ликвидуса AB и солидуса AH. Твердый раствор δ имеет ОЦК-решетку. При максимальной температуре углерода 1490°C раствор δ содержит 0,1% C.
По мере повышения содержания углерода температура, при которой γ-решетка превращается в α-решетку, снижается, и превращение происходит в интервале температур, соответствующем кривым GS и GP.
Рисунок 1. Диаграмма соотношения железа и углерода
Кривая осаждения в α-фазе GS пересекает кривую осаждения карбида железа ES. Точка S является эвтектоидной точкой с координатами 723°C и 0,80% C. В этот момент насыщенный раствор α и осадок Fe3C одновременно образуют эвтектоидный раствор концентрации γ.
Кристаллическая решетка твердого раствора α идентична кристаллической решетке твердого раствора δ. При эвтектоидной температуре 723°C содержание твердого раствора α составляет 0,02% C (точка P). Дальнейшее охлаждение приводит к снижению растворимости углерода в α-Fe, и при комнатной температуре она составляет небольшие доли процента (точка D).
При содержании углерода 2,0−4,3% кристаллизация начинается с осаждения раствора γ на линии BC. Увеличение содержания углерода более чем до 4,3% приводит к осаждению карбида железа на линии CD.
За выделением избыточной первичной фазы во всех сплавах, содержащих более 2,0% C, следует эвтектическая кристаллизация раствора γ и карбида железа в точке C, координаты которой равны 1130°C и 4,3% C.
Линия Ао связана с магнитным преобразованием, то есть переходом из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
При очень низких скоростях охлаждения углерод (графит) может кристаллизоваться непосредственно из жидкости.
При промежуточных скоростях охлаждения часть сплава может кристаллизоваться в соответствии с графитовой системой, а другая часть − в соответствии с цементитной системой.
Максимальная растворимость углерода в α-Fe наблюдается при температуре 721°C и составляет 0,018% С. При закалке углерод может оставаться в твердом растворе, но вскоре начинается осаждение фаз по механизму старения.
Образующиеся таким образом кластеры препятствуют движению дислокаций при пластической деформации и ответственны за неоднородное развитие деформации в начале пластического течения.
Для анализа влияния содержания углерода в железоуглеродистых сплавах необходимо охарактеризовать каждый элемент конструкции. Медленно охлаждаемые сплавы состоят из феррита и цементита или феррита и графита. Феррит является пластичным веществом. При температуре 723°C в феррите растворяется 0,22% углерода, но при комнатной температуре в растворе остаются лишь тысячные доли процента углерода.
Графит не плавится даже при температурах 3000–3500°C. Он обладает гексагональной решеткой с соотношением осей c/a > 2.
Аустенит мягкий (но тверже феррита) и пластичный. Относительное удлинение аустенита составляет 40−50%.
Он обладает меньшей теплопроводностью и электричеством, чем феррит, и является парамагнитным. Аустенит обладает ГЦК-решеткой.
Структура стали, содержащей 0−0,02% C, состоит из феррита и третичного цементита. Перлит сначала появляется в виде отдельных включений между зернами феррита, а затем, при температуре 0,8% C, занимает весь объем.
При повышении содержания углерода в стали более чем до 0,8% наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит имеет форму игл. Количество цементита увеличивается с увеличением содержания углерода. При 2% C он занимает 18% поля зрения микроскопа. Эвтектическая смесь образуется, когда содержание углерода превышает 2%. В быстроохлаждаемых сталях не вся избыточная фаза (феррит или цементит) успевает выпасть в осадок до образования эвтектоида.
Сплавы с содержанием 3,6% С содержат ледебурит (эвтектическую смесь твердого раствора углерода в γ-Fe и карбиде железа). Эти сплавы правильнее было бы отнести к доэвтектическим белым чугунам.
Список литературы
- Gorni A.A. Steel forming and heat treating handbook. − Brazil: Sao Vicente, 2019. − 219 p.
