Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

В структуре железоуглеродистых сплавов различают фазы и структурные составляющие.

Фаза - однородная обособленная часть сплава, имеющая границу раздела и свой тип кристаллической решетки.

В железоуглеродистых сплавах содержатся следующие фазы :

-жидкий сплав;

-феррит - твердый раствор углерода в -Fe с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой (рис. 2.1, а), имеющий низкую прочность (σ_В=300МПа), твердость (80-100 НВ) и высокую пластичность (δ=40 %; ψ=70%);

-аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (рис. 2.1, б) с твердостью 160-200 НВ;

-цементит -карбид железа Fe₃C с ромбической плотноупакованной решеткой,

отличающийся высокой твердостью (800 НВ) и хрупкостью.

а б

Рис. 2.1. Кристаллические ячейки: а–феррита (ОЦК); б–аустенита (ГЦК

-графит - полиморфная модификация кристаллов углерода с гексагональной решеткой. Другой кристаллической модификацией атомом углерода служит алмаз со сложной кубической решеткой.

Растворимость углерода составляет: в феррите - до 0,02% (т. Р), в аустените – до 2,14% (т. Е), в цементите - 6,67%.

Различают два типа диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильную Fe - Fe₃C и стабильную Fe - C.

Диаграмма состояния Fe - Fe3c показывает равновесную структуру сталей и белых чугунов в зависимости от температуры и концентрации элементов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Диаграмма состояния Fe-F₃C

Структурная составляющая - изолированная часть системы, имеющая единообразное строение. Структурные составляющие могут быть простыми и сложными. Примером простых структурных составляющих является свободный феррит (не входящий в перлит) в доэвтектоидной стали. Примером сложных структурных составляющих служат перлит и ледебурит.

Ниже приводится описание отдельных линий диаграммы Fe-Fe₃C.

Линия ABCD – ликвидус - показывает температуру начала кристаллизации и изменение содержания углерода в жидкой фазе.

Линия AHJEF – солидус - показывает температуру окончания кристаллизации и изменение содержания углерода в кристаллах аустенита (JE).

Линия ES - показывает предельную растворимость углерода в аустените заэвтектоидных сталей в интервале температур 1147-727 ^ОС.

Линия GPQ - показывает изменение содержания углерода в феррите.

Кривые линии GS и ES пересекаются в точке S при содержании углерода С=0,8% и температуре Т=727^ОС, при которой протекает эвтектоидное превращение, состоящее в том, что из аустенита (А) по восходящей диффузии одновременно зарождаются и выделяются пластинчатые кристаллы феррита (Ф) и цементита (Ц), механическая смесь которых называется эвтектоидом или перлитом (П):

.

Полученный пластинчатый перлит отличается высокой прочностью (σ_0,2=450 МПа; σ_В=800-900 МПа) и твердостью (180-220 НВ) при достаточно высокой пластичности (δ≤16%).

Кривые линии ликвидуса BC и CD пересекаются в точке С при содержании углерода С=4,3% и температуре Т=1147^ОС, при которой протекает эвтектическое превращение, состоящее в том, что из жидкого сплава (L) одновременно зарождаются и выделяются кристаллы аустенита (А) и цементита Ц (Fe₃C) в виде механической смеси, называемой эвтектикой или ледебуритом (Л):

.

Ледебурит характеризуется высокой твердостью (~600 НВ) и хрупкостью.

На линии PSK (см. рис 2.1) происходит эвтектоидное превращение аустенита, содержащегося в ледебурите, в перлит, вследствие чего ледебурит ниже этой линии представляет собой смесь перлита и цементита–Л_П (П+Ц). Такой ледебурит называется перлитным в отличие от аустенитного ледебурита -Л_А (А+Ц), образующегося при эвтектическом превращении.

Линия HJB – линия перитектического превращения, которое протекает при 1490 ^ОС по реакции

L_B + Ф_Н  A_J.

В процессе перитектического превращения жидкий сплав L состава точки В (С=0,51%) взаимодействует с кристаллами -феррита (Ф) точки Н (С=0,10%) с образованием кристаллов аустенита (А) состава точки J (С=0,16%). Перитектическое превращение протекает полностью в сплаве с содержанием С=0,16%. Сплавы с С=0,10–0,16%, будут иметь в избытке феррит, а сплавы с С=0,16–0,51% - жидкий сплав.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода 0,02-2,14%, называются сталями, свыше - чугунами, а менее 0,02%, - техническим железом.