Структуры железоуглеродистых сплавов

Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Сплавы, содержащие не более 0, 02 % углерода, являются техническим железом. Их структура состоит из феррита (рис.1.3).

Рис. 1.3 Микроструктура феррита. × 250

Стали, содержащие от сотых долей до 0, 8 % углерода, называют доэвтектоидными (рис.1.4).

а б

Рис.1.4. Микроструктура доэвтектоидной стали (феррит и перлит):

а – 20 % перлита; б – 40 % перлита. (х500)

Структура этих сталей – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки). С увеличением содержания углерода количество перлита в ней возрастает.

При содержании в отожженной стали 0, 8 % углерода структура состоит полностью из перлита. Такая сталь называется эвтектоидной (рис.1.5).

а б

Рис 1.5. Микроструктура эвтектоидной стали (перлит):

а – х1200; б – х1000

Для определения количества перлита, феррита или цементита в сталях с различным содержанием углерода может служить, так называемый, структурный треугольник, который строится согласно следующим положениям:

– сталь, имеющая 0, 8% (эвтектоидная) состоит полностью из перлита;

– в чистом железе (левая крайняя точка диаграммы) перлит отсутствует;

– в цементите (правая крайняя точка) перлит также отсутствует.

Стали, содержащие более 0, 8 % углерода, называют заэвтектоидными (рис. 1.6.

Рис. 1.6. Микроструктура заэвтектоидной стали (перлит и цементит): x300 – травление пикратом натрия; x500 – травление 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты).

Цементит выделяется из аустенита при охлаждении в виде светлой сетки, которая хорошо видна на границах темных участков перлита, или в виде игл, пронизывающих перлит.

В зависимости от содержания углерода доэвтектоидные стали отличаются друг от друга по твердости, пластичности и вязкости. Это же относится и к заэвтектоидным сталям. Зависимость механических свойств от содержания углерода (рис.1.7) определяется структурным составом стали, и, главным образом, количеством цементита, объем которого увеличивается с ростом количества углерода.

Рис. 1.7. Влияние углерода на механические свойства стали

С повышением количества углерода в стали увеличивается твердость (НВ); прочность возрастает для сталей с содержанием углерода до 0, 8 - 0, 9 %, а затем падает в связи с охрупчиванием стали за счет наличия избыточного количества вторичного цементита. Увеличение содержания углерода в стали снижает ее пластичность и вязкость.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2, 14 % (до 6, 67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Микроструктуры белых чугунов представлены на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун ; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун .

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические , структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ; эвтектические , структура ледебурит (Л) (рис. 9.4 б); заэвтектические , структура ледебурит + цементит первичный (рис. 9.4 в).

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.