5.2. Диаграмма состояния железо-цементит
В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe3C. Диаграмма Fe-Fe3C соответствует метастабильному равновесию системы железо-углерод.
Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):
точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;
точка D – температура плавления цементита 1250°С;
точка G – 910°С (А3) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;
точка N – 1392°С (А4) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;
ABCD – линия ликвидус;
AJECF – линия солидус;
ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;
PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;
точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);
точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);
Превращения при охлаждении сплавов:
1. Кристаллизация начинается по линии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD – кристаллы первичного цементита ЦI. Кристаллизация заканчивается на линии солидус AJECF.
2. Эвтектическое превращение. На линии ECF (1147°C) в точке С жидкая фаза кристаллизуется в эвтектику ледебурит – смесь двух твердых фаз, аустенита и цементита
Ж4,3%С→А2,14%С + Ц6,67%С. – ледебурит
Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называют доэвтектическими, их структура – аустенит+ледебурит. При содержании С > 4,3% – заэвтектическими со структурой ледебурит+цементит первичный.
Рис. 19. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)
3. Полиморфное превращение АФ происходит в сплавах с содержанием углерода менее 0,8%С. Начало превращения соответствует линии GS (А3), конец превращения – линиям GP и PS.
4. Распад твёрдых растворов: аустенита с выделением цементита вторичного ЦII идет по линии SE - линии переменной растворимости углерода в -железе (Аcm) и феррита с выделением цементита третичного ЦIII по линии PQ - линии переменной растворимости углерода в-железе.
5. Эвтектоидное превращение протекает при 727°C по линии PSK (A1). Аустенит с содержанием углерода 0,8%С превращается в эвтектоид перлит А0,8%С Ф0,02%С+Ц6,67%С.
Перлит – это эвтектоидная смесь феррита с цементитом.
Сплав с концентрацией углерода 0,8%С и структурой перлита называют эвтектоидным. Сплавы с концентрацией углерода от 0,02% до 0,8%С – доэвтектоидные со структурой перлит+феррит. Сплавы с концентрацией углерода от 0,8% до 2,14%С – заэвтектоидные, их структура - перлит+цементит вторичный.
Ниже температуры 727°С во всех структурах вместо аустенита присутствует перлит. Фазовый состав всех сплавов ниже температуры 727°С одинаков: в равновесии находятся две фазы - феррит и цементит.
5.3. Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.
Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+ЦIII (Рис. 20а).
Стали –сплавы с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%С:
доэвтектоидные стали, 0,02%<С<0,8%, их структура - Ф+П (Рис.20 б,в);
эвтектоидная сталь содержит 08%С, структура - П (Рис.20 б,г);
заэвтектоидные стали, 0,8%<%С<2,14%, структура - П+ЦII (Рис.20 д,е).
Чугуны – сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%С. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита, называют белыми:
- доэвтектические белые чугуны, 2,14%<%С<4,3%, структура - П+Л+ЦII (Рис.20 ж);
- эвтектический белый чугун, 4,3%С, структура – Л (Рис.20 з);
- заэвтектические белые чугуны, 4,3%<%С<6,67%, структура – Л+ЦI (Рис.20 и).
Белые чугуны из-за высокой хрупкости в промышленности не применяют, их используют для производства сталей и серых чугунов.
а) б) в)
г) д) е)
ж) з) и)
Рис. 20. Микроструктуры железо – углеродистых сплавов в равновесном состоянии: а -техническое железо, б, в – доэвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,2% и 0,4% соответственно, г – эвтектоидная сталь, д, е – заэвтектоидная сталь, ж – доэвтектический белый чугун, з – эвтектический белый чугун, и – заэвтектический белый чугун