§ 2. Диаграмма состояния железо-цементит

(метастабильное равновесие)

Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита 6,67% С.

Система Fe-Fe₃Cметастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Система Fe-С стабильная. Она характерна для сплавов, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

0,8 2,14 4,3 6,67

Рис. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C.

Линии и точки диаграммы.

Линия АВСД – линия ликвидус.

На линии АВ из жидкости выпадают кристаллы -феррита. На линии ВС из жидкости выпадают кристаллы аустенита , а на линии СД – первичного цементита.

Линия АНJECF– линия солидус.

На линии АН заканчивается кристаллизация -феррита и ниже её сплавы находятся в твёрдом состоянии со структурой-феррита. ЛинияHJB– линия перитектического превращения при температуре 1499ºС.

Линия ECF– линия эвтектического превращения.

Линия NH– верхняя граница существования двух фаз:-феррита и аустенита, а линияNJ– нижняя граница, соответствует температурам окончания превращения-феррита в аустенит.

Линия GS– верхняя граница существования-феррита и аустенита,GP– нижняя граница.

Линия SE– линия предельной растворимости углерода в-железе, начало выделения Ц_II.

Линия PQ– линия предельной растворимости углерода в-железе, начало выделения Ц_III.

Линия PSK– линия эвтектоидного превращения аустенита.

Точки диаграммы.

Обозначение точки	Температура ºС	Концентрация %С
A	1539	0
B	1499	0.51
H	1499	0.1
N	1499	0.16
J	1392	0
E	1147	2.14
C	1147	4.3
F	1147	6.67
D	1600	6.67
G	911	0
P	727	0.02
S	727	0.8
K	727	6.67
Q	20	0.006

§ 3. Первичная кристаллизация сплавов.

Сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 0,02% до 2,14%, называются сталями.

Сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 2,14% до 6,67%, называются чугунами.

Первичная кристаллизация сталей

В сплавахлежащих левее точки Н(0,1%С)кристаллизация начинается на линии АВ выделением из жидкости кристаллов-феррита. Заканчивается кристаллизация на линии АН и ниже её сплавы находятся в однофазном состоянии в виде- феррита.

В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,16%С (т. Н и J)по линии АВ начинает выделяться-феррит. При

температуре 1499º происходит перитектическая реакция (линия HJ):

образуется новый твёрдый раствор аустенит и остаётся избыточная фаза – -феррит.

В сплаве, содержащем 0,16% С (т. J)исходные кристаллы-феррита в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в аустенит:

.

В сплавах содержащих от 0,16% С до 0,51% (т. J и В)при перитектической температуре в результате взаимодействия между-ферритом и жидкой фазой образуется аустенит, но жидкая фаза остаётся, хотя и в меньшем количестве:

.

В связи с этим при температурах ниже линии JВ сплав будет двухфазный: аустенит + жидкость. Процесс кристаллизации закончится при достижении температуры линии солидусJЕ. После затвердевания сплавы будут иметь однофазную структуру – аустенит.

Сплавы, содержащие от 0,51% С до 2,14% Скристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями ВС иJE. Ниже линии ВС сплав находится в двухфазном состоянии – аустенит + жидкость. Состав жидкости изменяется по линии ликвидус ВС, а состав аустенита – по линии солидусJE. После затвердевания сплавы будут иметь структуру – аустенит.

Первичная кристаллизация чугунов

Ж.с

Ж.с.+ ж.с

А + Ц₁

Л → А + Ц₁

Первичная кристаллизация чугунов характеризуется образованием эвтектики. В сплаве, содержащем 4,3% С, называемом эвтектическим, при температуре 1147˚ в точке С из жидкости происходит попеременное выделение кристаллов аустенита и цементита первичного. При этом образуется механическая смесь этих двух кристаллов, которая называется ледебуритом.Ледебурит имеет высокую твердость и низкую пластичность и под микроскопом выглядит в виде темных точек на светлом поле.

В чугунах, содержащих от 2,14%С до 4,3%С , называемых доэвтектическими, первичная кристаллизация начинается на линии ВС выделением из жидкости кристаллов аустенита. С понижением температуры состав жидкости изменяется по линии ликвидус ВС, а состав аустенита - по линии солидус - JE.При достижении температуры 1147˚ жидкость обогащается углеродом , приобретает эвтектический состав и затвердевает с образованием ледебурита. Таким образом, структура доэвтектических чугунов после первичной кристаллизации – аустенит и ледебурит.

В чугунах, содержащих от 4,3% до 6,67%С, называемых заэвтектическими, первичная кристаллизация начинается на линии СД выделением из жидкости кристаллов цементита первичного. При этом с понижением температуры состав жидкости меняется по линии ликвидус ДС и при достижении эвтектической температуры 1147˚ приобретает эвтектический состав. Происходит затвердевание эвтектики – ледебурит. Структура заэвтектических сплавов после первичной кристаллизации – ледебурит и первичный цементит.