Материаловедение и технология конструкционных материалов

70 Раздел I. Материаловедение

Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух ал­ лотропических формах: Fea и Fer

Твердый раствор внедрения углерода в Fea называется фер­ ритом (Ф)1 Растворимость углерода в Fea невелика и составля­ ет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (ав = 250 МПа), но высокую пластичность (5= 50 %).

Твердый раствор внедрения углерода в Fey называется аустенитом (А). Растворимость углерода в Fey значительно больше, чем в Fea, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160...220 НВ.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластичность (8 -1 %). Чем больше цементита в железо­ углеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пла­ стичностью они обладают.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перли­ том (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продук­ том распада аустенита при 727 °С (200...250 НВ; 5 = 10...20 %; ов = 600...650 МПа):

Ад —» Фр + Ц.

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называется ледебуритом (JI). Ледебурит образуется при кристал­ лизации расплава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.

Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена на рис. 3.2. Ли­ ния ACD — ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF — солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область существо­ вания феррита ограничена площадью 0QPG, аустенита — GSEA. На линии DFKL образуется цементит, на ECF -- ледебурит, на PSK — перлит.

Диаграмма состояния Fe—Fe3C очень сложная. Поэтому для подробного ознакомления с ней и превращениями, происходя­ щими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на харак­ терные участки, исходя из процентного содержания углерода:

0...0,8 % — сплав I; 0,8...2,14 % — сплав II; 2,14...4,3 % — сплав III; 4,3... 6,67 % — сплав IV.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0...0,02 % углерода, называются техническим железом, 0,02...2,14 % — сталями,

2,14...6,67 % углерода — чугунами.

Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C

3.2.с концентрацией углерода 0 ...2,14 %

Данный участок диаграммы представлен на рис. 3.3, а, а кри­ вые охлаждения сплавов I и II — на рис. 3.3, б. Сплав I выше точки li находится в жидком состоянии. В точке 1Хиз жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться

вэтом, проведем горизонтальную линию через точку а, лежа­ щую ниже точки 1и до пересечения с линиями АЕ и АС' и обо­ значим соответственно точки а1 и а2. В точке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пересекается

слинией АС' в точке а2) и кристаллы аустенита (с линией АЕ

вточке а1).

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет изменяться по линии аг~С’, а состав аустенита — по линии а}-2,. В точке 2} процесс кристаллизации аустенита заканчива­ ется. От точки 2j до точки 3, не происходит никаких превращений, идет процесс охлаждения аустенита. В точке 3[ и ниже начинает протекать полиморфное превращение. Происходит перестройка кристаллической решетки железа: Fe.f —>Fea. В результате из аусте­ нита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3j горизонтальная линия.

По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита — по линии GP. К моменту достижения температуры 727 °С аустенит содержит 0,8 % углерода (точка S) и начинает распадаться на механическую смесь, называемую перлитом (рис. 3.3, в). Такое превращение называется эвтектоидным, а линия PSK — линией эвтектоидного превращения.

Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоидных сплавов, за точкой S — заэвтектоидных. Состав эвтекто-

II

1, с

Fea Fe3C

Рис. 3.3. Часть диаграммы состоянии Fe—Fe3C для сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)

идного сплава соответствует проекции точки S на ось концен­ трации. Ниже точки 4, в равновесии находятся феррит, пере­ шедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде аустенита.

В сплаве II (см. рис. 3.3, а) от точки / п до точки Зп протекают превращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки 1; до точки 3j. Ниже точки Зп из перенасыщенного углеродом аусте­ нита выделяется цементит, получивший название вторичного (Цп), так как он образуется из твердой фазы. Состав аустенита изменяется по мере снижения температуры по линии 3nS, являю­ щейся частью линии ES, которая отражает растворимость угле­ рода в аустените. С понижением температуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения температуры 727 °С содер­

распадается на механическую смесь аустенита и цементита — аустенитный ледебурит (рис. 3.4, в).

Такое превращение, протекающее при постоянной темпера­ туре (участок 2 Ш-2 'Шна кривой охлаждения сплава III), называ­ ется эвтектическим, линия ECF — линией эвтектического превра­ щения, а сама механическая смесь — эвтектической. Сплавы, лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Между точками 2 Ши Зш из аустенита выделяется вторичный цементит (линия ES, рис. 3.2), в этой области в равновесии на­ ходятся фазы А + JI + Ц„ = А + (А + Ц) + Ц„. При температуре 727 °С (участок Зш-З(и охлаждения сплава III) аустенит распа­ дается с образованием перлита и ниже точки Зш в равновесии находятся фазы П + JI + Ц„. При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1IVиз жидкости выделяются кристал­ лы цементита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ниже точки 1IV. Состав жидкой фазы изменяется по ли­ нии DC. При достижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распадается на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке 2 tv-2 { v (кривая охлаждения сплава IV). Дальнейшие превращения ана­ логичны превращениям в сплаве III.

Сплавы железа с углеродом после окончания всех превраще­ ний при температурах ниже 727 °С имеют различную структу­ ру. Их условное изображение и микроструктуры показаны на рис. 3.5 и 3.6.

Количество углерода в составе сплава, а следовательно, и мар­ ку стали можно приблизительно определить по микроструктуре сплава. Для этого по шлифу стали определяют площадь, занятую перлитом, и умножают на содержание углерода в нем. Количе­ ство углерода в перлите составляет 0,8 %. Ввиду малой раствори­ мости углерода в феррите содержание в нем углерода принима­ ется равным нулю.

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличе­ нием концентрации которого растёт количество цементита. Желе­ зоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновес­ ной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные

(0,02...0,8 % С, структура — Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура — перлит, строение которого может быть пластинча­ тым или зернистым); заэвтектоидные (8...2,14 % С, структу­ ра — П + Цп). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14...4,3 % С, структура — П + Цп+ JI); эвтектические (4,3 % С,

структура — JI) и заэвтектические (4,3...6,67 % С, структура — ц,+ Л).

Образование стабильной фазы (графита) в чугуне будет под­ робно рассмотрено в разделе III.

Рис. 3.5. Графическое изображение структур углеродистых сплавов

Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграмма состояния железо — цементит позволяет проследить за превращениями, происходящими при его нагреве и охлажде­ нии, определить температуру начала и конца плавления (затвер­ девания) сплава, выяснить температурные интервалы фазовых превращений, а также установить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

В соответствии с этой диаграммой назначают режимы тер­ мической обработки сталей и горячей обработки металлов дав­ лением. Из нее также получают другие необходимые для произ­ водства сведения.