Железоуглеродистые сплавы: основа современной техники и промышленности

Несмотря на активное развитие новых материалов, железоуглеродистые сплавы остаются фундаментом научно-технического прогресса. Как точно отметил академик А. Е. Ферсман, железо – это основа культуры, промышленности и самый главный металл окружающего мира. Сталь и чугун находят повсеместное применение в строительстве, машиностроении и транспорте. Из них возводят каркасы небоскребов и стадионов, прокладывают железные дороги и магистральные трубопроводы, производят станки, корабли и инструменты. Уникальное сочетание прочности, доступности и технологичности обеспечивает им лидирующие позиции.

Мировое производство железоуглеродистых сплавов демонстрирует устойчивый рост на протяжении последних двух столетий. Если в 1800 году выпуск стали составлял лишь 100 тысяч тонн, то к 1970 году он превысил полмиллиарда тонн в год. Сегодня этот показатель достиг отметки примерно в 1 миллиард тонн ежегодно. Столь высокая потребность обусловлена огромными запасами железных руд и непревзойденной способностью железа изменять свои свойства. Благодаря легированию и термической обработке, можно радикально менять характеристики сплавов в широком диапазоне.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Сталь и чугун являются основными машиностроительными материалами, составляя до 95% от всех используемых в технике сплавов. Критерием их разделения служит содержание углерода. Сталь – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего не превышает 2,14%. Углерод является важнейшей примесью, непосредственно влияющей на прочность, твердость и пластичность. Чугун, в отличие от стали, содержит более 2,14% углерода, а наиболее распространены составы с 3–3,5% углерода.

Углерод в чугуне может находиться в двух основных формах: в химически связанном состоянии или в виде свободного графита. В зависимости от этого чугуны классифицируются на белые и серые. В белых чугунах весь углерод присутствует в форме химического соединения с железом, что определяет их высокую твердость и хрупкость. Именно структура белых чугунов будет рассмотрена в данной главе для понимания фазовых превращений.

Феррит и цементит – основные фазы. Основу структуры железоуглеродистых сплавов составляют феррит и цементит. Феррит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в α-железе (рис. 4.1, а). Это мягкая и пластичная фаза с низкими значениями твердости (50–80 HB) и прочности. Его относительное удлинение достигает 30%, что характеризует высокую пластичность. Феррит обладает магнитными свойствами, которые теряются при нагреве выше 768 °C.

Рис. 4.1. Микроструктуры железоуглеродистых сплавов: а — зерна феррита; б— светлые пластины цементита в заэвтективеском белом чугуне; в — зернистый перлит, зерна цементита; г — пластинчатый перлит, пластины цементита; д— зерна аустенита, установленные методом окисления при 925 °С; е — ледебурит эвтектического белого чугуна

Цементит – это химическое соединение железа с углеродом, карбид железа (Fe₃C). Его кристаллическая решетка имеет строго определенное соотношение атомов: три атома железа на один атом углерода. Эта фаза исключительно тверда (около 800 HB) и хрупка. Цементит слабо магнитен при комнатной температуре и полностью теряет магнитные свойства выше 215 °C. На микроструктуре (рис. 4.1, б–г) цементит виден как светлая, хорошо полируемая составляющая.

Перлит, аустенит и ледебурит. При комнатной температуре феррит и цементит редко присутствуют по отдельности. Чаще они образуют механическую смесь под названием перлит. Эта смесь, называемая эвтектоидом, образуется при температуре 727 °C и содержит 0,8% углерода. Различают пластинчатый перлит (рис. 4.1, г), где цементит имеет форму пластинок, и зернистый перлит (рис. 4.1, в) с округлыми частицами цементита. Свойства перлита зависят от дисперсности и формы включений.

При нагреве выше критических температур происходит аллотропическое превращение α-железа в γ-железо, и образуется аустенит. Аустенит – это твердый раствор углерода в γ-железе (рис. 4.1, д), способный растворить до 2,14% углерода при 1147 °C. Это пластичная и немагнитная фаза. При охлаждении ниже 727 °C аустенит распадается с образованием перлита, хотя в легированных сталях может сохраняться и при комнатной температуре.

В белых чугунах присутствует еще одна важная структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектическая смесь, образующаяся при 1147 °C и содержащая 4,3% углерода. Первоначально ледебурит состоит из аустенита и цементита (рис. 4.1, е). При охлаждении ниже 727 °C аустенит в его составе превращается в перлит, и при комнатной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита, отличаясь высокой твердостью и хрупкостью.

Таким образом, изучение структурных составляющих позволяет сделать фундаментальный вывод: при комнатной температуре все железоуглеродистые сплавы представляют собой комбинацию мягкого феррита и твердого цементита. Именно соотношение, форма и распределение этих фаз определяют весь спектр механических и технологических свойств сталей и чугунов, позволяя инженерам целенаправленно создавать материалы для самых ответственных задач.