Характерные точки и линии на диаграмме Fe – Fe3c
Точки и линии диаграммы состояния Fe – Fe3C обозначают следующее: A – температура плавления чистого Fe; D – температура плавления цементита; N* и G – температуры аллотропических превращений железа; H* и P – предельная концентрация углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите; E – наибольшая концентрация углерода в аустените.
Превращения в сплавах диаграммы состояния происходят как при затвердевании жидкой фазы (L) (первичная кристаллизация), так и в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AH*JECF):
- линия AB* – температура начала кристаллизации δ-феррита из жидкого сплава;
- линия BC – температура начала кристаллизации аустенита (γ) из жидкого сплава;
- линия CD – температура начала кристаллизации первичного цементита (Fe3C)I из жидкого сплава;
- линия AH – температурная граница области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только феррит.
Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной аллотропической модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите.
Эти превращения протекают в твердом состоянии и описываются линиями:
N*J* – верхняя граница области сосуществования двух фаз δ*-феррита и аустенита, при охлаждении соответствует температурам начала полиморфного превращения δ-феррита в аустенит;
SE – линия предельной растворимости углерода в аустените, соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита;
GP – определяет начало превращения феррита в аустенит при нагреве;
PQ – соответствует температурам выделения третичного цементита (Fe3C)III при охлаждении.
Сплавы, содержащие менее 0,02% C, называются техническим железом. Эти сплавы испытывают при охлаждении и нагреве полиморфное превращение между линиями GS и GP. В этом интервале температур по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут в виде зерен, поглощая зерна аустенита. Ниже GP существует только феррит. При понижении температуры растворимость C в аустените и феррите уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита.
Линия ES характеризует изменение концентрации углерода в аустените, а линия PQ – в феррите. Цементит имеет неизменный химический состав (6,67% углерода), меняются лишь форма и размер его кристаллов, что отражается на свойствах сплавов.
Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным ((Fe3C)I), из аустенита – вторичным ((Fe3C)II), из феррита – третичным ((Fe3C)III).
Соответственно линия CD на диаграмме состояния называется линией первичного, ES – вторичного, PQ – третичного цементита.
В системе железо – цементит происходят три изотермических превращения, при которых число степеней свободы равно нулю, т.е. имеет место сосуществование трех фаз: перитектическое превращение (HJB), эвтектическое превращение (ECF), эвтектоидное превращение (PSK).
В результате эвтектического превращения из жидкого сплава одновременно кристаллизуется эвтектика, состоящая из аустенита с предельной концентрацией углерода и цементита, которая называется ледебуритом. Ледебурит (НВ ≥ 600) имеет большую твердость и хрупкость. Присутствие ледебурита в структуре сплавов делает их неспособными к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.
В результате эвтектоидного превращения образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Перлит содержит 0,8% C, ледебурит 4,3% C. Они оказывают важное влияние на свойства сплавов. Перлит имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей (НВ 180 – 220).
В соответствии с диаграммой Fe – Fe3C железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода по 2,14% называются сталями, сплавы с содержанием углерода больше 2,14% – чугунами.
По количеству углерода и структуре стали подразделяются на техническое железо (C ≤ 0,02%), доэвтектоидные (0,02% < C), эвтектоидные (С = 0,8%) со структурой в равновесном состоянии перлит, заэвтектоидные (0,8% < C ≤ 2,14%).
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe – Fe3C, отличаются высокой хрупкостью. Цвет излома их серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми (в отличие от серых, ковких и высокопрочных чугунов, в структуре которых углерод в основном находится в виде графитовой фазы).
По количеству углерода и структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические (2,14% < C < 4,3%) со структурой в равновесном состоянии ледебурит + перлит + вторичный цементит, эвтектические (C = 4,3%) со структурой ледебурит; заэвтектические (4,3% < C < 6,67%С) со структурой ледебурит + цементит первичный (рис. 14.3).
а б в
Рис. 14.3. Микроструктура сталей: а – доэвтектоидная, 300; б – эвтектоидная, 1000; в – заэвтектоидная