Цементит

Чугуны

Сплавы на диаграмме железо-углерод, которые содержат углерода более, чем 2,14 %, называются чугунами. Они обладают высокой хрупкостью. Поперечное сечение такого чугуна имеет светлый тон, а потому его называют белым чугуном.

На диаграмме это точка С, называемая эвтектикой, с соответствующим содержанием углерода 4,3 %. При кристаллизации образуется смесь, состоящая из аустенита и цементита, в совокупности называемая ледебуритом. Фазовый состав постоянен.

При концентрации углерода менее 4,3 % (доэвтектический чугун) при кристаллизации выделяется аустенит из раствора. Далее из него выделяется Ц2. А при 727° С аустенит превращается в перлит. Структурное состояние такого чугуна следующее: крупные участки перлита темного тона.

В заэвтектическом белом чугуне (углерода более 4,3%) при охлаждении структурирование происходит с образованием кристаллов Ц1. Далее превращения осуществляются уже в твердом состоянии. Структура представляет собой ледебурит, который является фоном для полей перлита темного тона. А крупные пласты – это Ц1.

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.

Отрывок, характеризующий Цементит

Люди русского войска были так измучены этим непрерывным движением по сорок верст в сутки, что не могли двигаться быстрее. Чтобы понять степень истощения русской армии, надо только ясно понять значение того факта, что, потеряв ранеными и убитыми во все время движения от Тарутина не более пяти тысяч человек, не потеряв сотни людей пленными, армия русская, вышедшая из Тарутина в числе ста тысяч, пришла к Красному в числе пятидесяти тысяч. Быстрое движение русских за французами действовало на русскую армию точно так же разрушительно, как и бегство французов. Разница была только в том, что русская армия двигалась произвольно, без угрозы погибели, которая висела над французской армией, и в том, что отсталые больные у французов оставались в руках врага, отсталые русские оставались у себя дома. Главная причина уменьшения армии Наполеона была быстрота движения, и несомненным доказательством тому служит соответственное уменьшение русских войск. Вся деятельность Кутузова, как это было под Тарутиным и под Вязьмой, была направлена только к тому, чтобы, – насколько то было в его власти, – не останавливать этого гибельного для французов движения (как хотели в Петербурге и в армии русские генералы), а содействовать ему и облегчить движение своих войск. Но, кроме того, со времени выказавшихся в войсках утомления и огромной убыли, происходивших от быстроты движения, еще другая причина представлялась Кутузову для замедления движения войск и для выжидания. Цель русских войск была – следование за французами. Путь французов был неизвестен, и потому, чем ближе следовали наши войска по пятам французов, тем больше они проходили расстояния. Только следуя в некотором расстоянии, можно было по кратчайшему пути перерезывать зигзаги, которые делали французы. Все искусные маневры, которые предлагали генералы, выражались в передвижениях войск, в увеличении переходов, а единственно разумная цель состояла в том, чтобы уменьшить эти переходы. И к этой цели во всю кампанию, от Москвы до Вильны, была направлена деятельность Кутузова – не случайно, не временно, но так последовательно, что он ни разу не изменил ей. Кутузов знал не умом или наукой, а всем русским существом своим знал и чувствовал то, что чувствовал каждый русский солдат, что французы побеждены, что враги бегут и надо выпроводить их; но вместе с тем он чувствовал, заодно с солдатами, всю тяжесть этого, неслыханного по быстроте и времени года, похода. Но генералам, в особенности не русским, желавшим отличиться, удивить кого то, забрать в плен для чего то какого нибудь герцога или короля, – генералам этим казалось теперь, когда всякое сражение было и гадко и бессмысленно, им казалось, что теперь то самое время давать сражения и побеждать кого то. Кутузов только пожимал плечами, когда ему один за другим представляли проекты маневров с теми дурно обутыми, без полушубков, полуголодными солдатами, которые в один месяц, без сражений, растаяли до половины и с которыми, при наилучших условиях продолжающегося бегства, надо было пройти до границы пространство больше того, которое было пройдено.

Производство

Изготовлением, подготовкой и выпуском доэвтектоидного металла в России занимаются многие предприятия. Например, Уральский завод цветных металлов (УЗЦМ) производит сразу несколько марок стали такого типа, предлагая потребителю разные наборы технико-физических свойств. Уральский сталелитейный завод выпускает ферритовые стали, в состав которых входят высококачественные легированные компоненты. Кроме того, в ассортименте доступны особые модификации сплавов, в том числе жаропрочные, высокохромистые и нержавеющие металлы.

Среди крупнейших производителей можно выделить и предприятие «Металлоинвест». На мощностях этой компании выпускаются конструкционные стали с доэвтектоидной структурой, рассчитанные на использование в строительстве. На данный момент сталелитейный завод предприятия работает по новым стандартам, позволяющим улучшать и слабое место ферритовых сплавов – прочностный показатель. В частности, технологи компании работают над повышением коэффициента интенсивности напряжения, над оптимизацией ударной вязкости и показателями сопротивления усталости материала. Это позволяет предлагать сплавы практически универсального назначения.

Мартенсит

Три типа плоскостей наиболее плотной упаковки в мартенсите с периодической слоистой структурой, образующемся из исходной / 32 -фазы типа CsCI. Стрелка обозначает вектор смещения каждого слоя относительно слоя А, принятого за начало отсчета.| Шесть типов слоев наиболее плотной упаковки в мартенсите с периодической слоистой структурой, образующейся из исходной ftt – фазы типа Fe3A.

Мартенсит со структурой ЗЯ или 9 Я, состоящий из трех плотноупа-кованных плоскостей А, В и С, образуется в ( 32-сплавах с исходной фазой типа CsCI. Однако мартенсит со структурой 2Н обнаруживается во всех сплавах.

Мартенсит, который для сталей является пересыщенным твердым раствором углерода в а-железе, под влиянием температуры распадается – происходит выделение углерода из решетки о-же-леза.

Мартенсит – структурная составляющая кристаллических твердых тел, возникающая в результате мартенситного превращения.

Схемы основных видов термической обработки сталей.

Мартенсит получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации и имеет характерное пластинчатое, под микроскопом – игольчатое, строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м / с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен.

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими сталей и особенно с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Элементарная кристаллическая ячейка мартенсита ( а. мартенсит.

Мартенсит – очень твердая и прочная структура. Он тверже и прочнее бейнита. Но пластические свойства его низки, особенно ударная вязкость. В мартенсите имеются высокие остаточные напряжения, возникшие вследствие увеличения удельного объема в результате превращений и не устраненные из-за низкой пластичности мартенсита.

Мартенсит, имеющий после закалки кристаллическую решетку с тетрагональной элементарной ячейкой, при нагреве выше 80 С начинает превращаться в кубический. Как всякий пересыщенный раствор, мартенсит неустойчив. Он распадается при комнатной температуре, но скорость распада чрезвычайно мала ввиду малой тепловой подвижности атомов. При температуре выше 80 С подвижность атомов оказывается достаточной для того, чтобы углерод частично перешел из пересыщенного раствора в пластинки карбида толщиной всего в несколько атомных слоев за относительно небольшой промежуток времени. Это превращение происходит в интервале от 80 до 170 С и сопровождается уменьшением искажения кристаллической решетки мартенсита. Внутренние напряжения снижаются, уменьшается удельный объем мартенсита, размеры детали немного сокращаются. Твердость и прочность остаются неизменными, а пластические свойства несколько повышаются.

Тетрагональная ячейка а-фазы в кристаллической решетке аустеннта.

Мартенсит в стали обладает тетрагональной решеткой, по-видимому, даже при малом содержании углерода ( 0 1 %), если он образуется в условиях, при которых практически не реализуются диффузионные процессы. Но в малоуглеродистом мартенсите ( 0 5 % С) в результате диффузионных процессов тетрагональная решетка может перейти в решетку с кубической симметрией.

Мартенсит без внутренних двойников наблюдался в малоуглеродистой стали ( где эти двойники обычно соседствуют с гексагональным е-мартенситом) и в марганцовистой, а также хромистой стали.

Два способа нагрева под закалку.

Мартенсит при закалке получается только при условии охлаждения со скоростью, превышающей определенную, так называемую критическую. Для каждой марки стали характерна своя критическая скорость.