Лекция II

Тема: Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Вопросы:

1. Общие сведения о диаграмме состояния.

2. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

1. Общие сведения о диаграмме состояния.

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Начало изучения железоуглеродистых сплавов с помощью созданной им диаграммой состояния положил великий русский металлург Д.К. Чернов, открывший в 1868 г. критические точки стали.

Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость между фазовым составом, температурой и концентрацией составляющих сплав компонентов. По ней можно судить о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов. Диаграмма строится экспериментально по кривым охлаждения сплавов (Рис.6).

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус, начинается кристаллизация. В нижней критической точке, которая называется точкой солидус, кристаллизация завершается.

Рисунок 6. Кривые охлаждения сплавов: а – механической смеси, б – твердого раствора.

Диаграмму состояния строят в координатах температура – концентрация. Линии диаграммы разделяют области разных фазовых состояний. Для построения диаграммы используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. Критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы и их структурные составляющие. Линия диаграммы состояния, на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается, - линией солидус.

На диаграмме состояния имеются участки (области), которые определяют только одну фазу, или две с разным составом, строением и свойствами.

2. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет сложный характер, так как железо и углерод при определенных концентрациях и температурах способны образовывать механические смеси, химические соединения и твердые растворы.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов может рассматриваться в двух вариантах: как метастабильная система Fe – Fe₃С (железо - цементит) и как стабильная система Fe – C (железо – углерод). Это связано с тем, что при замедленном охлаждении сплавов, углерод кристаллизуется с образованием химического соединения в виде цементита, а при очень медленном охлаждении выделяется свободный графит из жидкофазного, твердофазного растворов, а также при распаде цементита. Этот процесс называется графитизацией сплавов, чему способствует также присутствие в сплаве графитизирующих добавок Si, Ni, Al.

В системе Fe – Fe₃C фазовые равновесия и структурные состояния на диаграмме характеризуются сплошными линиями, в системе Fe – C –пунктирными линиями (рис. 7).

Рисунок 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

При изучении превращений, происходящих в сталях и белых чугунах, пользуются диаграммой Fe – Fe₃C, а при изучении серых чугунов обеими диаграммами.

Рассмотрим диаграмму железо – цементит (Fe – Fe₃C) (Рис. 8). На диаграмме по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс – содержание углерода в сплавах до 6,67%.

Согласно термическому анализу, чистое железо из расплава переходит в твердое состояние при 1539⁰ С (точка А), а сплав железа с 6,67% углеродом (цементитом) - при 1550 - 1600⁰ С (точка D). Сплав, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется при 1147⁰ С в точке С. Соединив эти точки, получают линию ACD - линию ликвидус, показывающую температуры начала первичной кристаллизации (затвердевания) жидких растворов. По мере охлаждения до температур, соответствующих линии AECF, сплавы, находящиеся в жидком состоянии, полностью затвердевают. Таким образом, переход в твердое состояние заканчивается при температурах, отмеченных линией AECF - линией конца первичной кристаллизации (линией солидус).

Рисунок 8. Диаграмма состояния железо – цементит.

Следует отметить, что все сплавы, содержащие более 2,14% С, затвердевают или начинают плавиться при одной и той же температуре 1147⁰ С (линия ЕСF).

Выше линии ACD находится жидкий раствор железа с углеродом. При температурах, отвечающих линии АС, в жидком растворе начинают образовываться первые кристаллы аустенита. Следовательно, между линиями АС и АЕС находится область существования смеси жидкого раствора и кристаллов аустенита.

Кристаллизация жидкого раствора по линии DС начинается с образования цементита, который называют первичным, так как он получается непосредственно из жидкого раствора. Между линиями DC и CF находится область существования смеси жидкого раствора и первичного цементита. В точке С при 1147⁰ С и содержания углерода 4,3% из жидкого раствора одновременно кристаллизуется цементит и аустенит, образуя эвтектическую смесь - ледебурит.

Сплавы железа с углеродом, с содержанием углерода до 2,14%, называют чугуном. Точка G на температурной оси чистого железа соответствует температуре, при которой происходит превращение -железа в α-железо (911⁰ С). Линия GS соответствует началу превращения аустенита в феррит в сплавах с содержанием углерода до 0,83%. Критические точки, лежащие на линии GC, обозначают точкой А (при нагреве - Ас , при охлаждении Аг ), на линии SE - Ac. Линию PSK, отвечающую температуре, 727⁰С (линию конца распада аустенита на феррит и цементит), называют так же перлитной линией. Критические точки, лежащие на этой линии, обозначают A₁ (при нагреве – Ac₁, при охлаждении – Ар₁). В точке при 727⁰ С и содержании 0,83% углерода происходит распад аустенита на цементит и перлит с образованием эвтектоидной смеси перлита, состоящей из частиц феррита и цементита. Линия ES при охлаждении соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита. Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующегося из жидкой фазы, называют вторичным. Структура заэвтектоидных сталей состоит из перлита и вторичного цементита.

Ниже линии ЕС (1147⁰ С) при содержании в сплавах 2,14 - 4,3% углерода из аустенита, пересыщенного углеродом, выпадает вторичный цементит. При 4,3% углерода и температуре 1147⁰ С жидкий раствор кристаллизуется с образованием эвтектической смеси - ледебурита. Сплавы, содержащие 4,3% углерода, называют эвтектическими чугунами; 2,14 - 4,3% углерода - доэвтектическими чугунами. Их структура состоит из перлита + цементита вторичного + ледебурита (перлита + цементита). Сплавы с содержанием 4,3 - 6,67% углерода называют заэвтектическими чугунами.

Сплавы, содержащие 0,83% углерода, называют эвтектоидными сталями; до 0,83% - доэвтектоидными сталями и от 0,83 до 2,14% углерода - заэвтектоидными сталями. Микроструктуры этих сталей представлены на рис. 9. Разница между эвтектической и эвтектоидной смесями заключается в том, что эвтектика (продукт первичной кристаллизации) образуется при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора (например, ледебурит, в чугунах). Эвтектоид - продукт вторичной кристаллизации - образуется при распаде твердого раствора (например, перлита в сталях). Таким образом, доэвтектоидные стали ниже 727⁰ С имеют структуру, состоящую из феррита и перлита.

Рисунок 9. Микроструктура стали: а - доэвтектоидная сталь (светлые участки - феррит, темные - перлит) при 500^х увеличении, б - эвтектоидная сталь (перлит) при 1000^х увеличении, в - заэвтектоидная сталь (перлит и цементит)