Влияние углерода на структуру сталей

Максимальная растворимость углерода в альфа-железе наблюдается при температуре 721 С и составляет 0,018 %. В случае закалки углерод может оставаться какое-то время в альфа-растворе, но очень скоро начинается выделение фаз по механизму старения. В твердом альфа-растворе углерод может образовывать или гомогенный раствор, что случается очень редко, или, скорее всего, негомогенный раствор с образованием кластеров в местах искажений атомной решетки (границы зерен, дислокации). Последний вариант является наиболее возможным состоянием твердого альфа-раствора.

Компоненты структуры сплавов железо-углерод

Для анализа влияние содержания углерода на железоуглеродистые сплавы, нужно характеризовать каждый их структурный элемент. После медленного охлаждения стали состоят из феррита и цементита или из феррита и графита.

 Феррит

Феррит является пластичным. В отожженном состоянии феррит имеет большое удлинение (около 40 %). Его твердость составляет по Бринеллю составляет от 65 до 130 С в зависимости от размеров зерна и он является сильно магнитным до температуры 770 ˚С. При температуре 723 ˚С феррит растворяет 0, 02 % углерода, а при комнатной температуре – только тысячные доли процента углерода остается в растворе.

 Цементит

Цементит является хрупким и очень твердым. Его твердость по Бринеллю составляет около 800. Цементит является слабым проводником электрического тока и тепла. Имеет сложную ромбическую атомную решетку. Обычно разделяют:

  • первичный цементит, который кристаллизуется из жидкой фазы по линии CD;
  • вторичный цементит, который выделяется из твердого гамма-раствора по линии ES;
  • третичный цементит, который выделяется из твердого альфа-раствора по линии PQ.

Графит

Графит является мягким. Он плохой проводник электрического тока, но хорошо проводит тепло. Графит не плавится даже при температуре 3000-3500 ˚С. Имеет гексагональную атомную решетку в отношением осей больше 2.

Аустенит

Аустенит является мягким (но более твердым, чем феррит) и пластичным. Удлинение аустенита составляет 40-50 %. Он имеет более низкую проводимость тепла и электричества, чем феррит. Аустенит является парамагнитным. Обладает гранецентрической кубической решеткой.

Изменение структуры стали с увеличением содержания углерода

«Пройдемся» вдоль оси содержания углерода на участке диаграммы состояния системы железо-углерод, которая соответствует сталям (рисунок 1): от 0 до 2 % углерода.

diagramma-zhelezo-uglerodРисунок 1 — Двойная диаграмма состояния железо-углерод

 Феррит

Структура стали, содержащей от 0 до 0,02 % углерода, включает феррит и третичный цементит (рисунок 2).

struktura-stali-ferritРисунок 2 — Микроструктура стали: феррит с третичным цементитом по граница зерен

Феррит и перлит

Дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к появлению нового структурного компонента – эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Сначала перлит появляется как отдельный включения между ферритными зернами, а затем, при содержании углерода 0,8 %, занимает весь объем. Перлит представляет собой двухфазную смесь, которая обычно имеет пластинчатую структуру (рисунок 3).

perlit-zementitРисунок 3 — Микроструктура перлита в стали

Перлит и цементит

Когда содержание углерода поднимается выше 0,8 %, наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется в форме игл (рисунок 4).

perlit-zementitРисунок 4 — Микроструктура стали: вторичный цементит (иглы) и перлит

Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода 2 % цементит занимает 18 % поля зрения микроскопа. При содержании углерода более 2 % формируется эвтектическая смесь.

Ледебурит

Сплавы с содержанием углерода 3,6 % содержат ледебурит. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита с растворенным углеродом и цементитом. Эти высокоуглеродистые сплавы считаются уже не сталями, а доэвтектическими белыми чугунами.