Материаловедение Диаграмма состояния Fe – C Железо Fe

Материаловедение Диаграмма состояния Fe – C

Железо Fe (атомный номер 26; атомный вес 55,85) – ферромагнитный металл серебристо-белого цвета. Плотность – 7,86 г/см3. Тпл. = 1539 °С. Переходный металл. При нормальных условиях Fe существует в двух аллотропических модификациях. Кристаллическое строение. Впервые критические температуры превращений железа были определены в 1868 г. Д.К. Черновым. В 1888 г. французский ученый Осмонд предложил каждую критическую точку обозначить индексом А (от французской “arret” – что означает остановку на термической кривой). Для различия критических точек при нагревании и охлаждении к обозначению критической точки А добавляется индекс “с” (от французского слова choftage – нагревание) или индекс “r” (от французского refroidissement – охлаждение). Критические точки температур превращений. Механические свойства железа.

Углерод Углерод – нeметаллический элемент IV группы II периода, порядковый номер 6, атомная масса 12,01; плотность 2,5 г/см3, температура плавления ~3500°С. Он растворяется в довольно значительных количествах не только в жидком железе, но и в -Fe и -Fe. Предельная растворимость в -Fe при 20°С - 0,006%, при 725°С - 0,025%. В -Fe - 0,8% при 727°С и 2,14% при 1147°С. Углерод, как и железо, обладает полиморфизмом. Модификация углерода в виде алмаза в обычных условиях метастабильна. Высокое давление (>1000 МПа) стабилизирует модификацию углерода в виде алмаза. При давлениях свыше 60000 МПа стабилен графит II, имеющий о.ц.к. решетку. Переход алмаза в графит возможен при температурах ~1200°С.

Основными фазами в сплавах системы «железо – углерод» являются: жидкая фаза (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и графит (Гр). Жидкий раствор углерода в железе характеризуется: ближним порядком в расположении атомов, с преобладанием металлической связи. Строение жидкого раствора (или расплава) зависит от концентрации углерода. При содержании С до 0,2% первая координационная сфера соответствует размытой решетке ОЦК; в интервале 0,2…0,6%С наблюдается переход к размытой ГЦК решетке. При содержании углерода до 2% жидкие растворы микроскопически однородны. При содержании углерода > 2% в жидком растворе появляются микрогруппировки атомов углерода величиной 10-8…10-9м, что связано с более сильным взаимодействием одноименных атомов (С – С и Fe – Fe), чем разноименных (Fe – С). По мере увеличения концентрации углерода снижаются вязкость и поверхностное натяжение.

Твердые растворы углерода в полиморфных - и -модификациях железа являются растворами внедрения. По мере повышения температуры растворимость углерода как в решетке -Fe, так и в -Fe возрастает. Твердый раствор углерода в -Fe (решетка ОЦК) называют ферритом. Механические свойства феррита при 20°С: в = 250 МПа; т = 120 МПа;  до 50%;  до 80%; НВ = 800…1000 МПа. Физические свойства феррита сильно зависят от содержания углерода и других примесей. Микроструктура феррита – гранулированные зерна.

Твердый раствор углерода в -Fe (решетка ГЦК) называют аустенитом. Максимальная растворимость углерода в -Fe намного больше, чем в -Fe, и составляет 2,14%. Это объясняется присутствием в решетке -Fe меньшего числа, но более крупных межузельных октаэдрических пор, в которых атомы углерода размещаются более свободно. Микроструктура аустенита – полиэдрическая; в полиэдрах бывают видны двойники деформации и рекристаллизации. Механические свойства аустенита железоуглеродистых сплавов при нормальной температуре определить нельзя, так как он в этих условиях не может существовать. Обычно указывают свойства аустенита высоколегированных сплавов, поскольку в них аустенит может наблюдаться и при нормальных температурах. Для такого аустенита характерна высокая пластичность, низкие значения твердости и предела текучести. Аустенит может упрочняться за счет деформационного наклепа. В общем случае в сплавах на основе железа феррит и аустенит являются твердыми растворами не только углерода, но и других элементов, входящих в состав сплава и образующих с железом твердые растворы замещения и (или) внедрения.

Цементит – карбид железа Fe3C, образующийся в обычных промышленных железных сплавах, содержит в среднем 6,67 % С. Цементит имеет орторомбическую сложную кристаллическую решетку. Атомы в цементите связаны ковалентной и металлической связью. Цементит должен обладать слоистой структурой, между слоями которой действует металлическая связь, а в пределах каждого слоя реализуются ковалентные связи. Такой характер межатомного взаимодействия в цементите обусловливает анизотропию его свойств. Свойства цементита – высокая твердость (HRC ~ 70) и хрупкость, а также малая химическая активность. При наличии в сплавах карбидообразующих элементов, возникает легированный цементит типа (Fe, Ме)3С, в решетке которого взамен соответствующего количества атомов железа могут присутствовать атомы легирующих элементов.

Графит, образующийся в железоуглеродистых сплавах, мало отличается от природного графита и представляет собой почти чистый углерод. Растворимость железа в графите очень мала. Графит – наименее прочная фаза в железоуглеродистых сплавах. В строении графита и цементита имеется сходство; в обеих фазах между атомами в пределах каждого слоя действуют ковалентные связи, а между слоями – ненаправленные связи. Это отражается в сходстве строения первичных кристаллов этих фаз, растущих в железоуглеродистых расплавах в виде плоских дендритов. Цементит и графит обладают также и ненаправленной (металлической) связью, действующей между слоями, которая обеспечивается коллективизированными электронами. Цементит является метастабильной фазой и может в определенных условиях распадаться на железо и графит.

На диаграмме равновесия Fe – С имеются следующие линии: В области затвердевания или плавления АВ – линия ликвидус (граница области Ж + ); ВС – линия ликвидус (граница области Ж + ); CD – линия ликвидус (граница области Ж + Fe3C); C'D' – линия ликвидус (граница области Ж + Гр); АН – линия солидус (граница области Ж + ); НВ – линия перитектического равновесия (при охлаждении соединение жидкости состава В с -фазой состава Н и образование -фазы состава J); для сплавов участка HJ – линия солидус; EF – линия эвтектического равновесия (аустенит состава Е, цементит, жидкость С) – линия солидус; E'F' – линия эвтектического равновесия (аустенит состава Е', графит, жидкость состава С') – линия солидус.

В области затвердевших сплавов NH – верхняя граница области равновесия  +  (при охлаждении начало превращения   ); NJ – нижняя граница области равновесия  +  (при охлаждении конец превращения  ); GO – верхняя граница области равновесия  +  (при охлаждении начало выпадения из аустенита неферромагнитного феррита – -фазы); OS – верхняя граница области равновесия  +  (при охлаждении начало выпадения из аустенита ферромагнитного феррита – -фазы); SE – линия ограниченной растворимости Fe3C в аустените (-фазе); S'E' – линия ограниченной растворимости графита в аустените (-фазе); GP – граница области равновесия  () +  (при охлаждении конец превращения аустенита в феррит); МО – температура Кюри (при охлаждении переход неферромагнитного феррита в ферромагнитный; превращение ); РК – линия эвтектоидного равновесия (при охлаждении распад аустенита состава S на феррит состава Р и цементит) ; Р'К' – линия эвтектоидного равновесия (при охлаждении распад аустенита состава S' на феррит состава Р' и графит); PQ – линия ограниченной растворимости цементита в феррите.

Положение особенных точек диаграммы

Переход к следующей теме

1s2 2s2p6 3s2p6d6 4s2 Атом Fe располагается в конце первой группы переходных металлов. Соседние элементы с большими атомными номерами (Со, Ni, Сu) кристаллизуются в плотноупакован-ные структуры, пока их 3d-состояния не оказываются заполненными в меди. Переходные элементы с менее заполненными 3d-состояниями (-Ti, V, Cr, -Мn) имеют о.ц.к. структуру. Fe находится между этими группами.

(δ)-Fe – ОЦК решетка (а = 0,286 нм)  -Fe – ГЦК решетка (а = 0, 364 нм)

Ниже 910 и выше 1401°С до Тпл. (1539°С) стабильно -железо (Fe) с о.ц.к. решеткой. Модификацию -железа, стабильную выше 1401°С, обозначают как Fe. Fе и Fе - это одна и та же модификация железа. Между 910 и 1401°С - -железо (Fe) c г.ц.к. решеткой. В отличие от ферромагнитного -железа парамагнитное -железо обозначают как  -железо (Fe). При превращении  в точке Кюри A2 кристаллическая решетка не меняется, этот переход имеет электронную природу. -железо является неферромагнитной.

Механические свойства. Технически чистое железо содержит небольшие количества примесей, попадающих в него из руды или из топлива и воздуха при выплавке: С, Mn, Si, Al, S, Р, О, N, Н, Сu, Cr, Ni. Твердость технически чистого железа, содержащего 99,9%Fe, значительно выше чем у химически чистого; HB ~ 900 МПа (У химического чистого железа – HB ~ 490 МПа). Механические свойства: в = 300…350 МПа,  = 35…40%,  = 65…70%.

В обычных условиях С находится в виде графита с гексагональной слоистой решеткой. Между атомами углерода каждого слоя действуют сильные ковалентные связи (энергия связи ~680 Дж/кмоль), так как межатомные расстояния здесь очень малы (0,1415 нм). Ковалентные связи осуществляются спариванием трехвалентных электронов каждого атома с электронами трех окружающих его соседей. Четвертые валентные электроны переходят в коллективные, и это сообщает графиту металлические свойства, в первую очередь, повышенную электрическую проводимость, Слои находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга (0,3354 нм) и связаны поляризационными силами. Алмаз характеризуется тетраэдрической решеткой, в которой каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя соседями, находящимися на расстоянии 0,1545 нм. Алмаз при обычных T и P в сплавах Fe–C не встречается.