Железоуглеродистые сплавы - сплавы железа (Fe) с углеродом (C) на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые железоуглеродистые сплавы для исследовательских целей (со следами примесей) и технические железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны.
Технические железоуглеродистые сплавы содержат примеси, которые подразделяют: на обычные (P, S, Mn, Si, H, N, O), легирующие (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Co, Cu и другие) и модифицирующие (Mg, Ce, Ca и другие). Начало научного изучения системы Fe-C (железо-углерод) положили русские металлурги П.П. Аносов и Д.К. Чернов.
Железоуглеродистые сплавы также условно называют чёрными сплавами.
Основное представление о строении железоуглеродистых сплавов даёт широко известная диаграмма состояний железо-углерод.
Принято называть чугунами технические железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2%C (2,14%), а сталями, соответственно - менее 2%C. Если коротко и в общих чертах, то можно сказать, что по составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами и малой способностью к пластической деформации. Чугун, как правило, дешевле стали.
Фазы железоуглеродистых сплавов:
1. Феррит – это структурная составляющая, фаза железоуглеродистых сплавов (чугун, сталь). При 911-769°C феррит парамагнитен; от 769°C до абсолютного нуля – ферромагнитен. Феррит - твёрдый раствор углерода (до 0,02%) и других элементов в α-железе. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала. В феррите могут быть растворены Si, Mn, P и другие элементы.
Феррит образует твёрдый раствор внедрения с углеродом, с легирующими элементами феррит образует твёрдый раствор замещения (как и аустенит).
Феррит имеет кубическую объёмно-центрированную решётку (ОЦК решетка).
Феррит мягок и пластичен. Твёрдость феррита меняется при растворении в нём различных легирующих элементов. Значения твёрдости ферррита могут меняться от 80 до 250, в зависимости от содержания легирующих элементов и способа термической обработки.
2. Аустенит – это структурная составляющая, фаза железоуглеродистых сплавов; твёрдый раствор углерода (до 2%) и легирующих элементов в γ-железе. Аустенит немагнитен; плотность его больше, чем других структурных составляющих сплава. В углеродистых сталях и чугунах аустенит устойчив выше 723°С.
Кристаллическую структуру аустенита можно представить себе как гранецентрированную решётку, состоящую из атомов железа, в которую внедрены атомы углерода меньшего размера. Так как атом углерода больше размеров поры (свободного места в г.ц.к.-решётке), то при попадании его в решётку железа последняя искажается и это делает остальные поры недоступными для других атомов углерода. Структуру аустенита можно стабилизировать с помощью легирования, так как все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций, в частности - аустенита.
Другими словами структура аустенита получается при высоком содержании в стали легирующего элемента (Ni, Mn и др.), расширяющего область γ-фазы.
Твёрдость аустенита
На твёрдость аустенита влияют различные факторы, прежде всего - содержание растворённого углерода (и других легирующих элементов, образующих твёрдые растворы замещения), следовательно чёткого и единственного значения твёрдости аустенита быть не может (известен лишь порядок значений твёрдости аустенита). Поэтому значения твёрдости аустенита, как правило, указываются в некотором диапазоне, и поэтому в разных источниках мы находим несколько отличающиеся значения твёрдости аустенита. Например, твердость аустенита по Бринеллю 160-200 HB.
Места преимущественного образования аустенита - на границе раздела фаз феррит - цементит. В феррито-перлитной структуре превращение в аустенит происходит сначала в перлитных объёмах. В грубопластинчатом перлите не только образование, но и рост аустенита может проходить по поверхности раздела карбид - феррит.
Ход превращения феррито-карбидной структуры в аустенит (особенно в случае легирования стали стали карбидообразующим элементом) происходит в три этапа:
1) образование аустенита во всём объёме;
2) растворение карбида;
3) гомогенизация аустенита.
3. Цементит - химическое соединение углерода с железом (карбид железа), Fe3C – одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов (чугун, сталь), содержит 6,67% C.
Цементит относится к неустойчивым соединениям и при определённых условиях распадается с образованием свободного углерода в видеграфита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода (C) могут замещаться атомами неметаллов – N, O; атомы железа (Fe) – металлами Mn, Cr, W и другими. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита называется легированным цементитом. Обычное обозначение легированного цементита M3C, где под буквой M понимается железо и другие металлы, замещающие атомы железа в решётке цементита.
Цементит Fe3C имеет ромбическую структуру. Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитное состояние равна 215°С.
Свойства цементита
Цементит имеет металлические свойства (электропроводность, металлический блеск и т.д.) благодаря тому, что в решётке и железо и углерод положительно ионизованы, то есть и металл и углерод ведут себя в соединении, как металл. Цементит хрупок, имеет высокую твёрдость (HB более 800); tпл=1250°C; Цементит имеет чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Эти свойства цементита являются, вероятно, следствием сложности строения кристаллической решётки цементита.
При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит, согласно различным источникам, теряет при температуре 215-217°.
Первичный цементит
Различают первичный, вторичный и третичный цементит. Первичный цементит выделяется из жидкости. Первичный цементит выделяется только при закалке сплавов, содержащих до 5,5% (по массе) углерода. Форма первичного цементита: длинные крупные пластины.
Вторичный цементит
Вторичный цементит выделяется из аустенита - γ-твёрдого раствора. При охаждении выделение происходит по линии ES (диаграмма Fe-C). Форма вторичного цементита: цементитная сетка, цементит по границам зёрен.
Третичный цементит
Третичный цементит выделяется из феррита. Форма третичного цементита: пластинки и прожилки, а также выделения в виде иголок в ферритном зерне. При более быстром охлаждении часть углерода остаётся в твёрдом растворе; выделение третичного цементита подавляется.
4. Графит – это минерал, наиболее устойчивая при стандартных условиях кристаллическая модификация углерода. Графит огнеупорен, обладает электропроводностью; твёрдость графит по минералогической шкале Мооса - 1; плотность графита 2230 кг/м3.
Применение графита: в литейном производстве применяют кристаллический литейный графит и скрытокристаллический графит. При производстве стали графит применяют для науглероживания, а также для смазки - в прокатном производстве.
Свойства графита
формы углерода - алмаза - графит обладает электропроводными свойствами и является полуметаллом (это свойство графита используется при производстве электродов).
Кристаллическая решетка графита состоит только из атомов углерода. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная слоистая структура, расстояние между слоями 0,335 нм. Кристаллическая решетка графита бывает двух типов: гексагональная (α-графит) и ромбоэдрическая (β-графит, метастабильная форма). Электропроводность кристаллов графита анизотропна: близка к металлической в направлении, параллельном базисной плоскости, и на порядок меньше в перпендикулярном направлении. Анизотропия характерна также для звукопроницаемости (акустических свойств) и теплопроводных свойств графита.