7. Диаграмма состояния «железо — углерод». Сплавы железа и углерода.

7.1.Диаграмма состояния «железо — углерод».

Железо — металл серебристо-белого цвета, мягкий. Технические сорта железа содержат 99,80…99,91% Fе. Температура плавления железа 1539°С. До температуры 768°С - точки Кюри - железо обладает магнитными свойствами, при этой температуре – теряет. Железо имеет две аллотропические модификации: Fе_α - решетка ОЦК и Fе_γ – решетка ГЦК. Железо-α существует при температурах ниже 911°С и выше 1401°С. В интервале температур 911…1401°С существует железо-γ.

Чистое железо не имеет широкого промышленного применения. В технике применяют сплавы железа с углеродом, структура которых описывается диаграммой состояния «железо - углерод».

При содержании углерода 6,67% образуется химическое соединение со стехиометрической формулой Fe₃c. Это карбид железа, получивший название цементит, он обладает высокой твердостью до 850 HV. Именно до химического соединения - цементита (т.е. до содержания углерода, равного 6,67%) и построена диаграмма (рис. 7.1), поэтому ее часто называют диаграмма состояния «железо – цементит (Fe — Fe₃c)». Рассмотрение диаграммы в таких пределах оправдано тем, что в промышленности нашли широкое применение сплавы с содержанием углерода, не превышающим указанное значение. Эта диаграмма имеет исключительно важное значение для теории и практики термической обработки.

Компоненты системы: железо (температура плавления - 1539°С – точка «А» диаграммы, температура полиморфного превращения - 911°С – точка «G»); цементит (температура плавления ~1560°С – точка «D» диаграммы).

Помимо химического соединения – цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси, образующие фазовые и структурные составляющие.

Твердые растворы:

- ррит (Ф) — твердый раствор углерода в α-железе — Fе _α (С). Растворимость углерода в феррите весьма низкая - около 0,006% при 20°С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения - 0,02% при 727°С (точка P диаграммы). Кристаллическая решетка феррита — ОЦК. Феррит — твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа- α. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80…100НВ;

- аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ- железе — Fе_γ(С). Аустенит существует только при высоких температурах - 727°С и выше. Растворимость углерода в аустените высокая – 0,8% при минимальной температуре его существования - 727°С (точка S диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (также, как в феррите) и достигает максимального значения – 2,14% при 1147°С (точка E диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита — ГЦК. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен. Его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности (см. гл. 1 и рис. 1.6 – атомную плотность для решеток ОЦК и ГЦК). Твердость аустенита около 200НВ.

Смеси:.

- при температуре 1147°С в сплавах с содержанием углерода 2,14% и более при охлаждении из жидкого состояния образуется эвтектика, которая называется ледебурит (Л) это — смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3%С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой: Ж_4,3→Л[А_2,14+Ц_6,67] (цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения – его содержание в аустените, равное 2,14%, соответствует точке «Е» диаграммы, 6,67% - содержание углерода в цементите – точке «F». Конода при температуре 1147°С совпадает с линией диаграммы «ЕСF»). Ледебурит имеет высокую твердость (550НV), очень хрупок;

- при температуре 727°С в сплавах с содержанием углерода 0,02% и более аустенит, содержание углерода в котором 0,8% (точка «S» диаграммы) превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Превращение происходит при постоянной температуре. Такое превращение получило название эвтектоидного (в отличие от эвтектического, где исходная фаза – жидкость). Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид. В системе «Fe — Fe₃c» эвтектоид называется перлит (П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой: А_0,8→П[Ф_0,02+Ц_6,67] (содержание углерода в феррите соответствует точке «Р», в цементите – точке «К»).

Рассмотрим те превращения в системе «Fe — Fe₃c», которые определяют структуры сплавов после окончательного охлаждения, т.е. при комнатной температуре.

Превращения, происходящие на горизонтальных линиях «ECF» и «PSK» рассмотрены выше – это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов, содержащих более 2,14% С (лежащие правее точки «Е») будет присутствовать ледебурит; содержащих более 0,02% С (лежащие правее точки «Р») – перлит.

Большое значение имеют наклонные линии диаграммы – «DC», «ES»,«PQ». Все они показывают предельную растворимость углерода в жидкости, аустените и феррите, соответственно.

Это означает, что при охлаждении сплавов с содержанием углерода более 4,3% при достижении температуры, соответствующей линии «DC» будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе. Этот цементит называется первичным (Ц_I). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.

При охлаждении сплавов, лежащих правее линии «ES», вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры, из аустенита будет выделяться цементит, называемый вторичным (Ц_II). По аналогии, цементит, выделяющийся из феррита (линия «PQ»), называется третичным (Ц_III).