Диаграмма состаяния железоуглеродистых сплавов и превращения структуры стали под воздействием температуры.
Структура и свойства важнейших железоуглеродистых сплавов, к которым относятся стали и чугуны, зависят в основном от двух элементов — железа и углерода. На свойства стали и чугуна оказывают также влияние находящиеся в них примеси в виде кремния, марганца, фосфора, кислорода и серы. Однако их наличие не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Эта диаграмма является сложным сочетанием диаграмм II и I рода. Она дает возможность видеть все изменения строения сплавов в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов, которые образуют различные структуры. Разновидность структуры сплава определяется тем, что железо может существовать в нескольких аллотропических формах. Поэтому оно растворяет углерод в разной концентрации, образуя твердые растворы, или вступает с углеродом в химическое соединение. В зависимости от характера взаимодействия железа с углерода в сплавах встречаются следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.
Феррит — почти чистое железо, или твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006 — 0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшую твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем он пластичнее.
Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Растворимость углерода в железе может достигать 2, 14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа FезС). Содержание углерода в цементите составляет 6, 67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.
При определенных условиях цементит может распадаться на феррит и свободный углерод.
Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы цементита, имеющего форму
соответственно пластинок или зерен.
По механическим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом.
Ледебурит—эвтектическая смесь аустенита и цементита. Наименьшая температура затвердевания ледебурита 1147 С. Он может существовать до температуры 727 С. Ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.
Диаграмма состояния сплава железо—углерод в диапазоне концентраций от чистого железа до цементита представлена на рис. 1. 12. По вертикальной оси диаграммы отложены значения температуры, а по горизонтали оси — процентное содержание углерода в сплавах. Наибольшая доля углерода, равная 6, 67 %, соответствует его содержанию в цементите (FeзС).
Все сплавы на диаграмме делятся в зависимости от содержания углерода на две группы: от 0 до 2, 14 % располагаются ковкие железоуглеродистые сплавы — стали; от 2, 14 до 6, 67 % — сплавы с более хрупкой структурой — чугуны. Сплавы с большим содержанием углерода практического применения не находят из-за высокой хрупкости и малой прочности.
Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает только в одной температурной точке — 1539 °С. Все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.
Диаграмма состояния «Железо – карбид железа» (Fe – Fe3C)
Рассматривая эти превращения, можно выделить две фазы: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).
Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидус АСD. При этом сплавы с содержанием углерода от 0 до 4, 3 % начинают затвердевать по линии АС, выделяя зерна аусгенита. Сплавы с содержанием углерода выше 4, 3 % затвердевают по линии СD выделяя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147 С и содержании 4, 3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуя эвтектику — сплав ледебурит. Он присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.
Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидус АЕСF. При температурах, соответствующих линии АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2, 14 % полностью затвердевают, образуя структуру аустенита
На линии ЕС заканчивается затвердевание сплавов с содержанием углерода от 2, 14 до 4, 3 %, которые образуют ледебурит. Но, поскольку при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, в этих сплавах после затвердевания будет структура аустенит + ледебурит.
На линии солидус СF сплавы с содержанием углерода от 4, 3 до 6, 67 % затвердевают также с образованием ледебурита, но выделившийся при более высоких температурах цементит создает окончательную структуру первичный цементит + ледебурит.