Система “железо-углерод”

Чугун и сталь составляют более 80 % веса всех применяемых металлов. Большинство углеродистых сталей содержат до 1,5 % углерода, тогда как литейные чугуны обычно содержат до от 2 до 4 % углерода.

Кристаллические решетки железа

Известно, что железо проявляет аллотропические свойства и меняет свою кристаллическую структуру при нагреве или охлаждении:

• Когда чистое железо затвердевает при охлаждении от своей температуры плавления 1540 ºС оно принимает объемно-центрированную кубическую структуру (ОЦК), которую обозначают δ-Fe (дельта-феррит).
• При дальнейшем охлаждении между температурами 1395 ºС и 912 ºС оно имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру (ГЦК), которую называют аустенитом и обозначают γ-Fe (гамма-железо).
• Ниже температуры 912 ºС железо снова становиться ОЦК-структурой и обозначается α-Fe (феррит).

Диаграмма состояния «железо-цементит»

Фазовая диаграмма «железо-цементит» показана на рисунке 1

Cодержание углерода на этой диаграмме достигает только 6,70 %. При этом содержании углерода образуется промежуточная соединение карбид железа или цементит (Fe₃C), что показано вертикальной линией справа на фазовой диаграмме. Поскольку все стали и чугуны имеют содержание углерода ниже 6,7 %, остальной участок фазовой диаграммы с содержанием углерода от 6,7 % до 100 % не представляет инженерного интереса. Цементит является твердым и хрупким карбидным соединением с орторомбической кристаллической структурой.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния «железо-углерод»

Твердые растворы углерода в железе

Углерод образует с железом серию твердых растворов, которые обозначаются полями δ, γ и α. Однако углерод имеет в железе очень ограниченную растворимость:

• Максимальная растворимость углерода в феррите составляет только приблизительно 0,022 % при температуре 727 ºС и увеличивается до 2,14 % 1147 ºС.
• При комнатной температуре растворимость углерода в железе даже еще меньше – только 0,005 %.

Таким образом, растворимость углерода в ГЦК-структуре железа приблизительно в 100 раз выше, чем в его ОЦК-структуре. Это является результатом того, что межузловые пространства в ГЦК-структуре  больше и, соответственно, деформации, которые возникают в окружающей решетке железа намного ниже. Углерод, даже в очень малых количествах, значительно влияет на механические свойства феррита.

Цементит и графит

Стали содержат углерод в форме цементита, тогда как чугуны могут или цементит, или углерод в форме графита. Графит является более стабильной, углеродосодержащей фазой, чем цементит. Образованию графита способствует высокое содержание углерода и присутствие большого количества определенных легирующих добавок, в частности, кремния. Поэтому графит является важной фазой в чугунах, но редко встречается в сталях. Цементит является метастабильным и будет оставаться при комнатной температуре в виде соединения неограниченное время. Однако, если цементит нагревать при температуре от 650 до 705 ºС в течение нескольких лет, он постепенно превратится в железо и графит. При образовании графита пределы растворимости и интервалы температуры стабильности фаз несколько изменяются, как это показано штриховыми линями на фазовой диаграмме (см. рисунок).

Железоуглеродистые сплавы

В сплавах на основе железа наиболее часто главным легирующим элементом является углерод, а также другие легирующие элементы. В зависимости от содержания углерода различают три типа сплавов на основе железа:

• железо
• стали
• чугуны.

Чистое железо

Промышленное чистое железо содержит менее 0,008 % углерода и при охлаждении до комнатной температуры состоит почти исключительно из феррита.

Стали

В сталях, которые имеют содержание углерода от 0,008 до 2 % и когда они медленно охлаждаются до комнатной температуры, их микроструктура состоит из феррита и цементита. Хотя сталь может содержать до 2 % углерода, обычно его содержание ограничивается 1,5 % или менее, чтобы избежать чрезмерной хрупкости. Обычно содержание углерода держат низким в сталях, которые требуют высокой пластичности, высокой вязкости и хорошей свариваемости. Высокое содержание углерода применяют в сталях, которые требуют высоких уровней прочности, твердости, усталостной прочности и износостойкости.

Чугуны

Чугунами называют те железосодержащие сплавы, которые содержат углерод в интервале от 2 до 6,7 %. Однако большинство чугунов имеют содержание углерода от 2 до 4 %.

Источник: Elements of Metallurgy and Engineering Alloys /ed. F.C. Campbell – ASM International, 2008