Тема 4. Диаграммы состояния двойных сплавов

Вопросы:

1.Диаграмма состояния системы «железо-цементит» в упрощенном виде.

Характерные точки и линии диаграммы «железо-цементит».

2.Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

3.Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны.

1. На диаграмме состояния (рис. 10) представлены две системы сплавов.

Рис. 10. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (в уп­рощенном виде)

Система Fе – Fе₃С называется неустой­чивой (метастабильной) в связи с тем, что цементит представляет собой неустойчивое соединение, способное при нагреве распадаться. Она показана сплошными ли­ниями и характеризует стали и белые чугуны – сплавы со связанным углеродом.

Система Fе – С (стабильная) показана пунктирными линиями и характеризует сплавы, в которых углерод на­ходится в свободном состоянии (графит).

При изучении превращений, происходящих в сталях, и белых чугунах, пользуются диаграммой Fе – Fе₃С, а при изучении серых чугунов – обеими диаграммами (Fе – Fе₃С и Fе – С). В практике термообработки черных металлов пользуются диаграммой Fе – Fе₃С.

Точка А соответствует температуре плавления (за­твердевания) чистого железа (1539 °С), точка D – темпе­ратуре плавления цементита (~1250°С).

Точка G – температура полиморфного превращения γ-железа в α–железо (911 °С).

Точка Р – предельная растворимость углерода в α-железе при температуре 727 °С, которая не превышает 0,02 %.

Точка S – предельное содержание углерода в перлите (0,8%).

Точка F – предельное содержание углерода в цементите (6,67%).

Точка E – предельное содержание углерода в аустените (2,14%).

Точка С – предельное содержание углерода в ледебурите (4,3%).

По характеру превращения сплавов с изменением температуры всю диаграмму можно разбить на две ча­сти: верхнюю, охватывающую первичную кристаллиза­цию сплавов, от линии ликвидуса АСD до линии соли­дуса АЕСF; нижнюю, охватывающую вторичную кристал­лизацию сплавов и образование определенных структур, от линии солидуса до полного охлаждения.

Выше линии ликвидуса АСD сплавы любой концен­трации находятся в жидком состоянии. Линия солидуса АЕСF показывает температуру затвердевания сплавов, на ней заканчиваются процессы первичной кристалли­зации. Между линией солидуса и линией РSК, проходят процессы вторичной кристаллизации сплавов.

2. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе с гранецентрированной кубической решеткой с максимальным содержанием углерода 2,14%. Аустенит обладает большой вязко­стью, хорошей сопротивляемостью истиранию, химиче­ской стойкостью и твердостью НВ 170...220.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе с предельной концентрацией 0,02% при 727 °С и 0,006% - при нормальной температуре. Он имеет объ­емно-центрированную кубическую решетку. Феррит имеет твердость НВ 80, он пластичен, хорошо обрабатывается давлением.

Цементит – химическое соединение железа с углеро­дом (Fе₃С), содержащее 6,67% С. Он имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью, пластичность его близка к нулю. При медленном нагре­вании и выдержке при высокой температуре он распа­дается, выделяя свободней углерод в виде графита. Цементит, находящийся в чугуне, придает излому ха­рактерный белый цвет, отсюда и произошло название чугунов.

Перлит – эвтектоидная смесь зерен цементита и фер­рита, соответствующая полному распаду твердого рас­твора аустенита, содержащая 0,8 % С. Прочность перлита G_в = 550...1300 МПа, пла­стичность δ = 5...20 %, твердость 160...260 НВ.

Ледебурит – эвтектическая смесь, состоящая в мо­мент образования из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Аустенит при 727 °С превра­щается в перлит, и при нормальной температуре ледебу­рит состоит из смеси перлита и цементита. Твердость ле­дебурита НВ 700, он очень хрупкий и содержит 4,3 % С.

3. По структурным составляющим, полученным в резуль­тате первичной кристаллизации, все сплавы системы Fе – Fе₃С делятся на стали – сплавы, содержащие до 2,14% С, в которых не образуется ледебурита, и чугуны (белые) – сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % С, в которых образуется ледебурит.

Исходя из вышесказанного, по диаграмме состояния различают стали трех типов: эвтектоидные стали, содержащие 0,8 % С, доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С и заэвтектоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С.

По диаграмме состояния различают белые чугуны трех типов: эвтектический чугун, содержащий 4,3 % С, со структурой из эвтектики (ледебурит); доэвтектические чугуны, содержащие 2,14...4,3% С; заэвтектические чугуны, содержащие 4,3...6,67% С.