22. Диаграмма состояния, фазовый состав и микроструктура сплавов системы железо-углерод.

При изучении структуры чугуна и стали строят диаграммы состояния - графические изображения, дающие наглядное представление о кристаллизации и превращениях, совершающихся при их нагреве и охлаждении.

Процесс кристаллизации зависит от того, какие фазы образуются из жидкого раствора сплава.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную ют других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твердые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые элементы, химические соединения, твердые и жидкие растворы и пары. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы состояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, которое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое количество фаз может одновременно существовать.

Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от количества составляющих сплавы могут быть двух-, трех-, четырех- и более компонентными. Кроме основных компонентов, технические сплавы могут содержать в небольших количествах и другие элементы, называемые примесями. Постоянными примесями являются сера и фосфор.

Компоненты в жидком состоянии обладают неограниченной растворимостью. В твердом сплаве они образуют механическую смесь кристалликов исходных материалов или находятся в химическом соединении друг с другом или в виде так называемого твердого раствора.

Системой называют группу веществ, выделенную из прочих окружающих веществ для исследования в известных условиях температуры, давления и других факторов. Например, сплав определенного состава, в котором хотят проследить превращения, происходящие при нагреве или охлаждении, представляет собой систему.

Диаграмма состояний строится по критическим точкам, определяемым различными методами. Одним из важнейших методов является термический.

Диаграмма состояния железо - углерод имеет большое практическое значение и является основой для изучения процессов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют виды термической обработки, температурные интервалы превращений и т. д.

Кроме того, диаграмма может быть использована для предсказания микроструктуры при   любой заданной температуре.

 

Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек.

По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной - температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не толь­ко при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. При 723° С в α-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σ_ь = 25 кгс/мм²) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe₃C. Цементит содержит 6,63% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостьюНВ 760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит- это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью.

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С).

Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали.

Когда температура сплава соответствует, начинается процесс кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, ицементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким образом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3°/о углерода - дозвтектическим и более 4,3% углерода - заэвтектическим.

 В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II - из кристаллов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией AIE

При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяется твердый раствор δ. На горизонтали HIB при 1486°С происходит перитектическое превращение. Оставшийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором δ ив точке / переходит в аустенит, левее точки / - в структуру аустенит - твердый раствор δ, правее точки / - в аустенит и жидкий сплав. Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчивается на линии AHIE. Ниже линииHIE, в зоне IV, сплавы представляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращения происходят в твердом состоянии. Линия GS (линия А₃) представляет собой температуры начала выделения феррита из аустенита. Она показывает, что температура образования феррита понижается с 910°С (точка G) для чистого железа до 723° С (точка S) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода. При понижении температуры до 723°С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода - доэвтектоидной, более 0,8 % углерода - заэвтектоидной.

В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие - цементит и аустенит. Линия SE определяет предел Растворимости углерода в аустените. При 1130°С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

В зоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита, в зоне VII - из первичного цементита и ледебурита, в зоне XI- из перлита, вторичного цементита и ледебурита и, наконец, в зоне XII- из ледебурита и первичного цементита.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют критическими точками. Рассмотрим «стальной» участок диаграммы состояния железо - углерод:

 

Возьмем для примера три сплава: доэвтектоидный (/), эвтектоидный (//) и заэвтек-тоидный (///). При медленном нагреве от комнатной температуры до 723°С (точка а) в сплаве / фазовых изменений не происходит. Ори температуре 723°С перлит превращается в аустенит. Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают A_Cl . Буква С указывает на то, что температура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование критической точки на линии PSK. Охлаждение стали отмечают буквой r(А_r1 ). При дальнейшем нагреве в сплаве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке а₁, лежащей на линииGS. Температуру окончания растворения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве сплава-А_С3, при охлаждении - А_Г3.

Если нагревать эвтектоидный сплав 11,. то перлит в точке 5 (линия PSK)при 723°С превращается в аустенит. Критические точки A_C1 и А_с3,  при этом совместятся.

При нагреве сплава 111 в точке b при 723°С перлит превращается в аустенит (точка A_C1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b₁ лежащей на линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критической и обозначают А_ст.

Таким образом, та диаграмме железо - углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются А_с (при нагреве) и Аr₁ (при охлаждении), линия GSK - А_Сз, линия SE - А_ст и А_rт. Знание критических точек значительно облегчает термисту дальнейшее изучение процессов термической обработки сталей.

Рассматривая диаграмму состояний железо - цементит в связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть, как на ней распределены фазы и в каком структурном сочетании.