4.2. Диаграмма состояния железо-цементит

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (рис. 4.2) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до цементита, содержащего 6,67 % С. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количест­во цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 4.1.

4

Точки А и D характеризуют температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G - температуры полиморф­ных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемператур­ной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максималь­ную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой.

Фазовые превращения в системе Fe-Fe₃C происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом аг­регатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях меж­ду линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кри­сталлизация в твердом агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и изменения растворимости угле­рода в железе с изменением температуры.

На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава со­ответственно на участке АВ - феррита (5Ф), на участке ВС - аустени-

та (А) и на участке CD - цементита первичного (Ц1). На линиях АН и JE завершается кристаллизация 5Ф и аустенита из жидкой фазы.

Для диаграммы Fe-Fe₃C характерны три изотермических пре­вращения:

- перитектическое на линии HJB при температуре 1499 °С

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебу­ритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита вторичного -перлитом (П). Ледебурит и перлит рассматривают как самостоятель­ные структурные составляющие. Перлит чаще всего имеет пластинча­тое строение и обладает высокими механическими свойствами: а_в = 800...900 МПа, а₀₂ = 450 МПа, 5 < 16%, твердость 1800...2200 НВ.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. Сотовая струк­тура образуется при медленном охлаждении и представляет собой пластины цементита, переплетенные кристаллами аустенита. Большое количество цементита, присутствующего в ледебурите, обеспечивает его большую твердость, порядка 6000 НВ, и хрупкость, что затрудня­ет механическую обработку сплавов с ледебуритной структурой.

Рассмотрим фазовые превращения, происходящие в сплавах, претерпевающих перитектическое превращение (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Часть диаграммы состояния Fe-Fe₃C для сталей, испытывающих перитектическое превращение

Сплав I, содержащий менее 0,1 % С, не претерпевает перитекти-ческих превращений. Образование феррита, начинающееся в точке 1, в точке 2 заканчивается и образуется однофазная ферритная структу­ра. Однако вследствие полиморфизма железа и перестройки ОЦК ре­шетки в ГЦК на линии HN начинается превращение феррита в аусте-нит и эта перестройка заканчивается на линии NJ, ниже которой образуется однофазная область аустенита. При кристаллизации спла­ва III, содержащего 0,16 % С, на линии АВ начинается кристаллизация феррита из жидкой фазы и при температуре 1499 °С жидкая фаза бу­дет иметь состав, соответствующий точке В, а феррит - точке Н. Ко­личество выделившегося феррита и оставшегося расплава находится

6

Аналогично при кристаллизации сплава IV при температуре 1499 °С будет избыток жидкой фазы. При перитектическом превраще­нии образуется аустенит, а избыток жидкой фазы остается в системе. В области ниже линий JB существует двухфазное состояние (А + Ж).

На линиях NJ и JE заканчивается образование аустенита, свой­ство которого зависит от количества углерода, содержащегося в нем. Растворимость углерода в у-Fe зависит от температуры. Максималь­ная растворимость наблюдается при температуре 1147 °С и составля­ет 2,14 %. При охлаждении ниже температуры 1147 °С растворимость углерода в у-Fe уменьшается. Избыточный углерод вытесняется из

решетки железа и, взаимодействуя с железом, образует цементит, ко­торый называется вторичным, т. к. процесс происходит уже в твер­дом агрегатном состоянии. Образование вторичного цементита про­исходит на поверхности аустенитных зерен, и он обволакивает эти зерна, образуя цементитную сетку.

В связи с полиморфным превращением при температуре 911 °С у-Fe — а-Fe на линии GS происходит образование феррита. Для

сплавов, содержащих менее 0,02 % С, процесс образования феррита из аустенита заканчивается на линии GP.

Рассмотрим превращения, протекающие в сплавах, испыты­вающих эвтектоидное превращение. При охлаждении сплавов состава между точками P и S на линии GS начинается образование феррита из аустенита. Химический состав аустенита изменяется по линии GS и при температуре 727 °С в аустените содержится углерода 0,8 %, что соответствует точке S. При охлаждении сплавов между точками S и E на линии SE начинается образование цементита вторичного. Состав аустенита изменяется по линии SE и при температуре 727 °С соответ­ствует точке S. В точке S равновероятно образование из аустенита од­новременно как феррита, так и цементита вторичного. Превращение, при котором из одной твердой фазы одновременно образуются две новые твердые фазы, называется эвтектоидным, а механическая смесь этих двух фаз - эвтектоидом.

В точке S при температуре 727 °С происходит эвтектоидное пре-

При охлаждении доэвтектоидных сплавов до температуры 727 °С в системе находятся уже выделившиеся кристаллы феррита и аустенит, имеющий состав, соответствующий точке S. Следователь­но, аустенит претерпевает эвтектоидное превращение и при дальней­шем охлаждении система имеет структуру феррит + перлит. Анало­гично для заэвтетоидных сплавов при температуре 727 °С имеются уже выделившийся цементит вторичный и аустенит, соответствую­щий по составу точке S. Аустенит претерпевает эвтектоидное пре­вращение и система при дальнейшем охлаждении имеет структуру перлит плюс цементит вторичный.

При охлаждении сплавов состава левее точки P растворимость углерода в a-Fe снижается по линии PQ и при комнатной температу­ре составляет всего 0,006 %. Избыточный углерод, вытесняемый из кристаллической решетки, взаимодействует с железом и образует це­ментит третичный, в виде отдельных точечных включений между зернами феррита. Сплавы, содержащие до 0,02 % С, называются тех­нически чистым железом.

Сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14 % углерода, относятся к сталям.

Стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на эвтектоидные, содержащие ~ 0,8 % С, доэвтектоидные (от 0,02 до 0,8 % С) и заэвтектоидные (более 0,8 и до 2,14 % С). Микроструктура их приведена на рис. 4.4.

а) б) в)

Рис. 4.4. Микроструктура сталей: а - доэвтектоидная; б - эвтектоидная; в - заэвтектоидная, х 300

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и до 6,67 % назы­ваются чугунами. Различают чугуны эвтектические, содержащие 4,3 % С, доэвтектические (от 2,14 до 4,3 %) и заэвтектические (более 4,3 %).

3