28. Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
Диаграммы состояния строятся в координатах «концентрация – температура» и дают наглядное представление о фазовом составе сплавов; структурных превращениях, происходящих при нагреве и охлаждении; используются для выбора температуры при термической обработке и т. п. Для анализа превращений, происходящих в сталях и чугунах важнейшее значение имеет диаграмма состояния железо – цементит (рис. 28.1).
На этой диаграмме АВСD является линией ликвидуса; ниже ее начинается кристаллизация. Точка с минимальной температурой кристаллизации (плавления), соответствующая 4,3 % С, называется эвтектикой (от лат. «легкоплавкий»), после затвердевания сплава ей соответствует структура ледебурита. Аналогичная точка 0,81 % С, где превращение происходит в твердом виде, называется эвтектоид, ей соответствует структура перлита. АHJЕСFD – линия солидуса; на этой линии кристаллизация заканчивается, и ниже ее все образовавшиеся фазы являются твердыми.
Рис. 28.1. Диаграмма состояния железо – цементит
Диаграмма состояния железо-цементит объединяет 6 структурных составляющих, включая в себя 4 фазы (жидкость, феррит, аустенит, цементит) и 2 механические смеси (перлит и ледебурит).
Ф
еррит
(Ф) представляет собой твердый раствор
углерода в α-железе. Это самая мягкая и
пластичная структурная составляющая.
Предельное содержание углерода в феррите
при 727 оС (точка Р) около 0,02 %,
а при комнатной температуре (точка Q)
– 0,01 %.
Аустенит (А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Это более твердая и прочная структурная составляющая. Существует при температуре выше 727 °С. Предельное содержание углерода (точка Е) – 2,14 %.
Цементит (Ц) – карбид железа – химическое соединение Fe3C (6,67 % С) со сложной кристаллической решеткой, состоящей из ряда октаэдров (рис. 28.2), и является самой твердой и хрупкой структурной составляющей.
По происхождению различают первичный цементит ЦI – выделяющийся из жидкости по линии СD, вторичный ЦII – из аустенита по линии ЕS, третичный ЦIII – из феррита по линии РQ.
Рис. 28.2. Кристаллическая решетка цементита
Перлит36 (П) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую в среднем 0,81 % С. Благодаря наличию цементита, он более прочен и тверд, чем феррит и аустенит.
Ледебурит37 (Л) является механической смесью феррита и цементита, содержащей в среднем 4,3 % С. Благодаря большей доле цементита он более тверд и хрупок, чем перлит.
Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
|
σв, МПа |
σт, МПа |
, % |
, % |
НВ, МПа |
KCU, МДж/м2 |
Феррит |
250–300 |
120 |
40–50 |
70–80 |
800–1000 |
2,5 |
Аустенит |
|
|
|
|
1600–2000 |
|
Перлит |
800–900 |
450 |
8–16 |
25–30 |
1800–2200 |
< 0,4 |
Ледебурит |
|
|
|
|
6000 |
|
Цементит |
|
|
|
|
8000 |
|
На линии ECF происходит эвтектическое превращение, в результате которого при охлаждении образуются аустенит и цементит.
На линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого при охлаждении образуются феррит и цементит.
На линии HJB происходит перитектическое превращение, в результате которого при охлаждении образуются δ-феррит и аустенит. Однако это высокотемпературное превращение не имеет отношения к практике термической обработки.
Феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит являются важнейшими структурными составляющими сталей и чугунов, наблюдаемыми при микроскопическом анализе – рис. 28.3.
а
б
в
Рис. 28.3. Структура доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) стали после отжига