3. Превращения в сплавах системы железо — графит

Диаграмма состояния Ге - С нанесена на диаграмме состояния Ге - ЕезС штриховыми линиями (рис. 4.18). Такой способ изображения систе­мы Ге - С дает возможность сравнивать обе диаграммы.

В системе Ге - С эвтектика образуется при 1153 °С. Она содержит 4,26 % С и состоит из аустенита и графита. Ее называют графитной эв­тектикой.

Эвтектоидное превращение у сплавов системы Ге - С протекает при температуре 738 °С, причем эвтектоидная точка соответствует содержа­нию 0,7% С. Структура эвтектоида состоит из феррита и графита.

Рис. 4.18. Диаграммы состояния Ге — С

Эвтектоид называют графитовым. В интервале 1153—738 °С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е'8¹. Линия С' Ю' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита.

Чтение диаграммы состояния Ге - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Ге - ГезС, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Первичный графит и графит в эвтекти­ке кристаллизуются путем образования и последующего роста зародышей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, вы­ходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Ге - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (81, № и др.).

3. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей

1. Легирование и фазовые превращения

В современном машино- и приборостроении широкое применение на­ходят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями.

В качестве легирующих наиболее часто используют следующие эле­менты: Сг, №, Мп, 81, Мо, \У, V, Т1, N8. Реже используются Со, А1, Си, В и некоторые другие.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморф­ных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической ре­акций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые леги­рующие элементы способны, как и железо, взаимодействовать с углеродом и азотом, а также между собой или с железом, образуя промежуточные фа­зы — интерметаллиды.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответству­ющим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграм­ме состояния Ге - ГезС, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (см. рис. 4.11).

Эвтектоидную температуру (линия Р8К) обозначают А\, темпера­туру магнитного превращения (линия МО) — А2, температуру линии С8 — Аз, температуру полиморфного превращения Ге₇ — Ге_а (линия N^) — А4, температуру линии 8Е — А_ст.

Вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве все­гда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве — индекс с, при охлаждении — индекс г. Магнитное превращение не имеет гистерезиса.

По влиянию на температуры А3 и А4 легирующие элементы можно разбить на две группы. Равновесные температуры А3 и А4 для чисто­го железа равны соответственно 911 и 1392 °С. В интервале указанных температур устойчива модификация Ге₇ с ГЦК решеткой.

В первую группу входят элементы, которые понижают температуру Аз и повышают температуру А4. К ним относятся N1, Мп, С, N и др.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом 7-область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существу­ет неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии — твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3 при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 4.19 показан участок диаграммы Ге — леги­рующий элемент с открытой 7-областью.

В

Легирующий

элемент

Рис. 4.19. Диаграмма со­стояния железо - легиру­ющий элемент с открытой 7-областью (схема)

сплавах с концентрацией добавки, рав­ной или превышающей концентрацию, со­ответствующую точке Ь, ГЦК решетка устойчива при 20 — 25 °С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Та­ким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Ге₇, но и любые твердые растворы на основе Ге₇.

Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру А3 и по­нижают А4. В этом случае темпера­турный интервал устойчивости аустени­та уменьшается и соответственно расши­ряется температурный интервал устой­чивости Ге_а. Таких легирующих эле­ментов большинство: Сг, Мо, IV, V, 81,

Т1 и др.

В

Легирующий Легирующий

элемент элемент

а 6

Рис. 4.20. Диаграмма состояния же­лезо - легирующий элемент с замкну­той 7-областью:

а - открытая а-область; 6 - закрытая а- область (схема)

Рис. 4.21. Влияние легирую­щих элементов на протяжен­ность замкнутой 7-области

се перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с « замк­нутой» 7-областью (рис. 4.20). Концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (до 1 - 1,5%), и лишь для хрома аустенитная область простирается до 12 % (рис. 4.21).

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую 7-область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому а-область «открывается»: наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в железе с ОЦК решеткой (см. рис. 4.20, а). Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом проме­жуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях легирующего элемента на диаграммах появляется линия, ограничивающая раствори­мость, правее которой расположены двухфазные области (см. рис. 4.20, б). Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Ге_а, но и лю­бые твердые растворы на основе Ге_а.

При добавлении в сплав углерода точка с (см. рис. 4.20, б) чаще всего сдвигается в сторону большей концентрации добавки.