Тема 5. Фазовое и структурное состояние железоуглеродистых сплавов
План лекции
Компоненты и фазы в системе железо-углерод
Диаграмма железо-цементит и фазовые превращения
1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод
Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Главные из них – сталь и чугун представляют собой сплавы железа с углеродом. Несмотря на стремительное развитие производства и применения различного рода материалов, 93% используемых в мире конструкционных материалов составляют стали и чугуны.
Технические сплавы на основе железа являются сплавами сложного состава, так как помимо основных компонентов, они содержат определенное количество постоянных примесей. Тем не менее, фазовое и структурное состояние сплавов при медленном их охлаждении с высоких температур достаточно точно определяется двойной диаграммой состояний, построенной для чистых от примесей сплавов.
Существуют две диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором или твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe3C), так и графит.
Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением кристаллов графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сплавах с относительно невысоким содержанием углерода – сталях – цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появиться лишь в результате весьма длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500-700°С. В сплавах с достаточно высоким содержанием углерода – чугунах – графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.
Обычно диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными и пунктирными. Сплошные линии отражают состояния равновесия в присутствии в сплавах цементита, пунктирные – графита. Диаграмма железо-цементит называется метастабильной диаграммой равновесия, диаграмма железо-графит называется стабильной диаграммой равновесия.
2. Диаграмма железо-цементит и фазовые превращения
Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний (рисунок 19).
Рисунок 19 – Диаграмма состояния Fe – Fe3С
Выше линии ликвидуса ABCD сплавы железа с углеродом находятся в состоянии жидкого раствора. Повышение содержания углерода до 4,3% вызывает сильное снижение температуры начала кристаллизации с 1536 до 1147 °С; с дальнейшим повышением содержания углерода температура начала кристаллизации вновь повышается. Окончание процесса первичной кристаллизации происходит при температурах, лежащих на ломанной линии солидуса AHIECF.
На диаграмме имеются эвтектическая линия ECF и эвтэктоидная линия PSK. Сплавы, претерпевающие при охлаждении эвтектическое превращение, называются белыми чугунами (содержание углерода более 2,14%); сплавы, в которых эвтектическое превращение отсутствует, называются сталями (содержание углерода равно или меньше 2,14%).
В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.
Ферритом (Ф) называют твердый раствор углерода в α-железе, имеющем объемно центрированную кубическую решетку. Существуют две области однофазного состояния феррита: высокотемпературная область ANH и низкотемпературная область GPQ). Растворимость углерода в феррите, как видно из диаграммы, весьма невелика: максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10% – точка Н, в низкотемпературной области 0, 02% – точка Р.
Аустенитом (А) называют твердый раствор углерода в γ-железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. Аустенит занимает довольно большую область диаграммы NGSEI; растворимость углерода в аустените высокая, до 2,14% – точка Е.
Цементитом (Ц) называют химическое соединение железа с углеродом, химическая формула которого Fe3C (карбид железа). Это химическое соединение содержит 6,67 %С; ему отвечает правая ордината диаграммы.
На диаграмме, следовательно, имеются четыре вышеуказанные однофазные области: жидкого раствора, феррита и аустенита; все остальные области диаграммы являются двухфазными.
В области АНВ в равновесии находятся кристаллы высокотемпературного феррита и жидкого раствора; в области HNI в равновесии кристаллы феррита и аустенита; в области IECB – кристаллы аустенита и жидкий раствор; в области CDF – кристаллы цементита и жидкий раствор; в области SECFK – кристаллы аустенита и цементита; в области QPSKL в равновесии находятся кристаллы феррита и цементита.
Горизонтальные линии диаграммы выражают состояние трехфазного равновесия. На горизонтальной линии HIB в равновесии находятся две твердые фазы и одна жидкая; при охлаждении сплавов происходит перитектическое превращение, состоящее во взаимодействии феррита 0,1% С, с жидким раствором, содержащим 0,51% С; в результате взаимодействия образуется аустенит 0,16 % С. Реакцию можно записать: Ф0,10 + ж.р.0,51 → А0,16. При нагревании происходит обратное превращение.
На горизонтальной линии ECF в равновесии находятся одна жидкая и две твердые фазы: при охлаждении сплавов происходит эвтектическое превращение, состоящее в том, что жидкий раствор эвтектической концентрации (4,3% С) затвердевает, образуя эвтектическую смесь кристаллов аустенита с 2,14% растворенного углерода и кристаллов цементита. Реакцию можно записать: ж.р.4,3 → А2,14 + Ц. При нагреве происходит обратное превращение. Эвтектика железоуглеродистых сплавов называется ледебуритом.
На горизонтальной линии PSK в равновесии находятся три твердые фазы; при охлаждении происходит эвтэктоидное превращение; аустенит, содержащий 0,81% С, распадается на эвтэктоидную смесь, состоящую из кристаллов феррита, в котором растворено 0,02% С, и кристаллов цементита. Реакцию можно записать: А 0,765 → Ф0,02 + Ц. При нагреве происходит обратное превращение. Эвтектоид железоуглеродистых сплавов называется перлитом.
На диаграмме имеются три линии насыщении: NH, указывающая растворимость углерода в феррите при высоких температурах; линия насыщения SE, указывающая растворимость углерода в аустените, и линия насыщения PQ, указывающая растворимость углерода в феррите при относительно низких температурах. При охлаждении сплавов согласно указанным линиям твердые растворы обедняются углеродом.
Кристаллы цементита при охлаждении железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава сплава и температуры могут выделяться из жидкого раствора, из аустенита и из феррита. Цементит, выделяющийся из жидкого раствора (по линиям CD и ECF) называют первичным, цементит, выделяющийся из аустенита (по линиям SE и PSK), называют вторичным, и цементит, выделяющийся из феррита (по линии PQ), называют третичным.
Структурное состояние железоуглеродистых сплавов может быть более сложным, чем их фазовое состояние. Эго обусловлено тем, что присутствующие в сталях и чугунах кристаллические фазы образуют сложные структурные составляющие: эвтектику и эвтектоид.
При анализе совершающихся в сплавах превращений необходимо учитывать распределение имеющихся кристаллических фаз между различными структурными составляющими, а также различное происхождение этих фаз (первичные, вторичные и третичные).
Выводы по лекции
Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C – цементит. Диаграмма фазового равновесия железо-цементит – графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматривается часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит – фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной. Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит, поскольку именно графит является стабильной фазой.
Вопросы для самопроверки
Охарактеризуйте основные компоненты в системе Fe – С.
Какие фазы различают в системе Fe – С?
Назовите характерные точки диаграммы состояния Fe – Fe3С.
Какие состояния выражают горизонтальные линии диаграммы? Охарактеризуйте их.