Превращение в диаграмме Fe–Fe3c

В диаграмме (рис. 6.6) отмечено три линии, параллельные оси концентрации – HJB,ECF и PSK, характеризующие различные превращения.

Рис 6.6. Область перитектического превращения к диаграммеFe - Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

Ж_в= Ф_н–A_j

Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы - феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Ф_н и Ж_в происходит перитектическое превращение с образованием A_J. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения остается избыточный феррит, а между т. J и В – избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет.

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 6.7), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с–А_е+Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1-1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147°С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 6.7, сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147°С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую.

В т. 3-3' идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии в заэвтектическом чугуне (рис. 6.7, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147°С также имеет эвтектическую концентрацию.

Рис. 6.7. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

Рис. 6.8. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой – ледебуритом имеет пластины первоначально выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л +Ц).

Впоследствии при охлаждении чугуна входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727°С имеет следующую структуру: эвтектический – ледебурит (П+Ц); доэвтектический П+Л (П+Ц); заэвтектический – Ц + Л (П + Ц).

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 6.8), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) образуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А–Ф_р+ Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 6.8, сплав 1, т, 1­1'). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

В доэвтектоидной стали (рис. 6.8, сплав 2) из аустенита первоначально выделяется феррит (т. 2), обогащая аустенит, концентрация которого по мере охлаждения приближается к концентрации точки S. При достижении линии PSK в оставшемся аустените происходят эвтектоидные превращения с образованием перлита. Таким образом, доэвтектоидная сталь состоит из Ф + П, причем, чем больше углерода, тем большее количество перлита наблюдается в структуре .

В заэвтектической стали (рис. 6.8, сплав 3) из аустенита первоначально

выделяется цементит, называемый вторичным – Ц_ΙΙ, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь - перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + Ц_ΙΙ ). Отличительной особенностью является то, что Ц_ΙΙ выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727°С: зёрна перлита и сетка Ц_ΙΙ, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого.

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe - Fe₃C видно (рис. 6.9), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1-2; сплав II, т.3-4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 6.9, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ (цементита третичного).

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Изменение структуры в зависимости от содержания углерода

Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы – цементита третичного. При содержании углерода до 0,025% структурно свободный цементит выделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существенно понижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит располагается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.

При увеличении содержания углерода выше 0,025% в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10 – 0,15% С в стали появляются включения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшим повышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.

По мезоструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (выделением из феррита избыточного третичного цементита пренебрегаем). С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита – увеличивается (рис. 7.1).

При содержании в стали 0,8% углерода количество перлита равно 100%.

На рисунке 7.1 показана мезоструктура доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода. Отчетливо видно, что содержание перлита (темная составляющая) увеличивается с повышением содержания углерода.

Структура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из одного перлита, всё поле заполнено перлитом.

Структура заэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, причем цементит может располагаться в виде сетки, зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей вместо обычного перлита может быть зернистый перлит, который получают после специальной термообработки. Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит – на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Рис. 7.1. Равновесная диаграмма