3.2.5. Диаграмма состояния системы железо-углерод (рис.3.11)

Сплавы железа с углеродом – стали и чугуны являются основой металлических конструкционных материалов современной техники. Ниже температуры плавления (1539⁰С) железо может находиться в ОЦК или ГЦК структурной модификации. ОЦК решетка железа реализуется ниже 911⁰С ( -фаза) и от 1392⁰С до температуры плавления ( -фаза). В интервале 911-1392⁰С энергетически выгодна -фаза с ГЦК-решеткой. При 768⁰С железо испытывает магнитное превращение: ниже оно является ферромагнетиком, а выше – парамагнитным.

С углеродом все модификации железа образуют твердые растворы внедрения. Твердый раствор углерода в -железе (ОЦК) называется ферритом. Предельная растворимость углерода в мала (сотые доли процента). На диаграмме линия предельной растворимости углерода в , феррит занимает узкую область , Существует еще одна, высокотемпературная, область феррита - .

Твердый раствор углерода в -железе (ГЦК) называется аустенитом. В -железе растворяется гораздо больше углерода – до 2,14%. Линия его предельной растворимости ; на диаграмме аустенит занимает область .

При содержании углерода 6,67% весовых процентов образуется химическое соединение с железом – карбид железа , называемый цементитом. На диаграмме ему соответствует вертикаль . Как правило, дальше этой концентрации диаграммой не пользуются, т.к. такие сплавы не имеют практического применения.

Иногда диаграмму в интервале 0-6,67% рассматривают как диаграмму , и в этом случае концентрация изменяется от 0 до 100%. Дело в том, что компонентом сплава может быть не только чистый элемент, но и химическое соединение.

Таким образом, в твердом состоянии в системе могут образовываться три фазы – феррит, аустенит и цементит. Рассмотрим фазовые превращения в этих сплавах.

Первая часть представляет собой диаграмму с эвтектикой, где линия - ликвидус.

Эвтектика образуется из аустенита и цементита и называется ледебуритом. По линии из жидкости начинает выделяться аустенит, в области располагается жидкость + аустенит. В процессе кристаллизации состав аустенита изменяется по кривой , а состав жидкости – по кривой . Относительное содержание этих фах для любой точки можно определить по правилу отрезков.

По линии из жидкости начинает выделяться цементит, называемый первичным. Состав жидкости в процессе кристаллизации изменяется по линии и к концу кристаллизации соответствует точке . В треугольнике находятся жидкость + первичный цементит. По достижении температуры, соответствующей горизонтали , происходит эвтектическая реакция:

.

Все сплавы правее точки называются чугунами, а левее (2,14%) – сталями. Из диаграммы видно, что их строение и фазовый состав должны быть отличны. Существенно различаются также их свойства: стали гораздо пластичнее, что обусловило их широкое применение в технике.

Теперь рассмотрим “стальную” часть диаграммы. В верхней части (выше 1392⁰) имеется перитектическое превращение. Из жидкости по линии начинают выделяться кристаллы твердого раствора -феррита. В процессе кристаллизации состав (содержание углерода) в жидкости изменяется по линии , а состав - феррита – по АН. К концу кристаллизации жидкость жидкость имеет состав, соответствующий точке В, а - феррит – точке Н. По линии НВ происходит перитектическая реакция, в результате которой образуются кристаллы нового твердого раствора – аустенита с составом по реакции:

.

По правилу отрезков легко увидеть, что для этого необходимо жидкости и феррита. Для сплавов, соответствующих отрезку , имеется избыток жидкости, сплав представляет собой жидкость + аустенит, и кристаллизация будет продолжаться. Сплавы отрезка имеют избыток феррита, в треугольнике находятся феррит + аустенит, а по линии оставшийся феррит переходит в аустенит. Линия показывает предельную растворимость углерода в феррите.

Обширную область на диаграмме занимает аустенит. - линия предельной растворимости углерода в аустените. Однако для углеродистых сталей аустенит может существовать только выше температуры, соответствующей горизонтали (для легированных сталей, в которые введены дополнительные легирующие элементы, дело обстоит иначе).

При достижении горизонтали РК происходит эвтектоидная реакция, аналогичная образованию эвтектики, но в твердом состоянии. В этом случае речь идет о фазовом превращении, в результате которого из аустенита образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита. По линии из аустенита начинается выделяться феррит. При этом состав аустенита изменяется по линии , а состав феррита – по линии . По линии из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным, и в конце превращения его состав соответствует точке . Далее весь оставшийся аустенит одновременно переходит в эвтектоидную смесь феррита и цементита

Эта смесь имеет состав 0,83% (точка ) и называется перлитом.

Таким образом, стали в равновесном состоянии )допустим, после отжига) могут иметь следующие структуры: до линии - феррит; далее, до концентрации 0,83%С – доэвтектоидные стали, содержащие зерна феррита (светлые) и перлита (темные) (рис.3.12). Чем больше содержание углерода, тем больше зерен перлита. На рис. 3.13 для стали эвтектоидного состава виден пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. Встречается также другое расположение фаз – зернистый перлит.

Содержание углерода более 0,83%С соответствуют заэвтектоидные стали (в практике используются стали с содержанием углерода до 1,2+1,3%). Их микроструктура представляет собой зерна перлита, окаймленные избыточным цементитом.