5.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67 % углерода.

Компоненты: железо, углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Чистое железо в настоящее время 99,999%Fe; технические сорта 99,8 – 99,9% Fe. Температура плавления 1539С. Имеет две полиморфные модификации – ОЦК и ГЦК.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – =50%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В системе Fe–C различают следующие фазы:

• жидкий расплав (L),

• твердые растворы – феррит (Ф) и аустенит (А),

• химическое соединение – цементит (Ц),

• графит (Г).

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

При 0,006 %С: _в = 250 МПа, _0,2 = 120 МПа,  = 50%, 80–100НВ.

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. _в = 600 МПа,  = 40-50%, 170–220НВ, парамагнитен. Предельная растворимость С в -Fe – 2,14%.

Цементит – химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250 – 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

Графит – углеродная модификация, имеет гексагональную кристаллическую решетку. Мягок, обладает низкой прочностью.

Кристаллизация сплавов

ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплава.

AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.

При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения -феррита; при 0,51  %С  4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3  %С  6,67 – цементита первичного.

В сплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии AH, с образованием -феррита. Максимальное содержание углерода в -феррите составляет 0,1% (т. Н).

Сплавы, содержащие 0,1  %С  0,51 при температуре 1499С испытывают перитектическое превращение:

L_B + Ф_Н  А_J

Линия HJB – линия перитектических превращений.

При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит.

При содержании углерода от 0,16%, до 0, 51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит.

Сплавы, содержащие до 2,14%С, называются сталью, о более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью С в аустените. Стали после затвердевания имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами.

Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при t = 1147С.

Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита.

В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.

Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.

Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.

По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).

Фазовые и структурные изменения после затвердевания

связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.

Эвтектоидное превращение имеет место при температуре 727С и заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита (перлит).

В доэвтектоидных сплавах (%С  0,8%) в температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита. Ниже линии GOS -решетка аустенита перестраивается в -решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений.

По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше избыточного феррита и больше перлита.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в -железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в -железе. Из феррита выделяется цементит третичный. т. Р соответствует максимальной растворимости углерода в -железе – 0,02%.

В заэвтектоидных сталях (0,8  %С  2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в -железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Цементит называется вторичным потому, что он выделяется из твердого раствора (аустенита). Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в -железе).

По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.

В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Перлит пластинчатый _в = 800–900 МПа,  = 10%, 200НВ.

Перлит зернистый _в = 700 МПа,  = 20%, 180НВ.

В чугунах:

В доэвтектических чугунах ниже 1147С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).

При 727С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру П+Ц_II+Л, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита.

Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше4,3% и после затвердевания состоит их Ц_II+Л(П+Ц).

Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727С одинаков; они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

Следует запомнить обозначение критических точек железа и сплава, это имеет большое практическое значение при термической обработке.