1.4. Диаграмма железо – цементит.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо - углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железо – углеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железо – углеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо – карбид железа (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе железо – графит.

Диаграмма состояния железо – цементит приведена на рисунке 1.39, где пунктиром показано положение линий для системы железо – графит.

В системах железо – цементит и железо – графит различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК кристаллической решеткой. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный -феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %.

Феррит представляет собой мягкую пластичную фазу: _в = 300 МПа;  = 40 %;  = 70 %; KCU = 2,5 МДж/м²; НВ = 800-1000 МПа.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе с ГЦК кристаллической решеткой Предельная концентрация углерода в аустените – 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ = 1600-2000 МПа).

Цементит (Ц) – это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку, очень хрупок и имеет высокую твердость НВ = 8000 МПа. Слабо ферромагнитен до 210 С.

Графит (Г) имеет гексагональную, слоистую кристаллическую решетку. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью.

При охлаждении из расплава до комнатной температуры в системе железо – цементит происходят следующие превращения:

1) первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (AHJECF);

2) вторичная кристаллизация, вызванная превращением железа одной модификации в другую (между линиями GS и GPS) и переменной растворимостью углерода в аустените (линия ES) и феррите (линия PQ). Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкости, называется первичным; цементит, выделяющийся из аустенита – вторичным; цементит, выделяющийся из феррита – третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES – линией вторичного цементита, PQ – линией третичного цементита;

3) перитектическое превращение на линии HJB (1499 С)

Ф_H + Ж_В  А_J;

4) эвтектическое превращение на линии ECF (1147 С)

Ж_С  А_Е + Ц;

5) эвтектоидное превращение на линии PSK (727 С)

А_S  Ф_Р + Ц

Рисунок 1.39. Диаграмма состояния железо – цементит (графит): пунктиром показано положение линий диаграммы для системы железо – графит

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом. Перлит (содержит 0,8 % С) и ледебурит (4,3 % С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.

Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: _в = 800…900 МПа; _0,2 = 450 МПа;   16 %; НВ = 1800…2200 МПа.

При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20…25 С ледебурит представляет собой сплошную цементитную матрицу, в которой расположены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит его большой твердости (НВ > 6000 МПа) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы по содержанию углерода и структуре подразделяются на несколько групп:

1) техническое железо, содержащее до 0,02 % С (в структуре феррит и третичный цементит по границам зерен);

2) доэвтектоидная сталь, содержащая от 0,02 до 0,8 % С (в структуре феррит и перлит);

3) эвтектоидная сталь, содержащая 0,8 % С (в структуре перлит);

4) заэвтектоидная сталь, содержащая от 0,8 до 2,14 % С (в структуре перлит и цементит по границам зерен);

5) белый чугун, содержащий более 2,14% С (в структуре имеется ледебурит, и излом имеет специфический белый блеск).

Контрольные вопросы:

1. Что характеризует точки А₀ (210°С), А₁ (727°С), А₂ (768°С), А₃ (910°С),А₄ (1392°С) и А_m на диаграмме Fe - Fe₃C?

2. Что такое линия ликвидус?

3. Что такое линия солидус?

4. Что характеризуется точками A, J, N, E, C, G, S на диаграмме Fe - Fe₃C?

5. Что характеризуют линии GS, SE, PQ, HJB, ECF, PSK на диаграмме Fe - Fe₃C?

6. Что такое эвтектика?

7. Что и при каких условиях получается из аустенита при охлаждении?

8. Что представляет собой диаграмма состояния?

9. Какие превращения происходят при температуре 1147°С на диаграмме «железо-цементит»?

10. Какие превращения происходят при температуре 727°С на диаграмме «железо-цементит»?