Охарактеризуйте фазы диаграммы железо- цементит.
Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.
Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и цементит.
На рисунке приведена полная диаграмма состояния системы (стабильная система Fe-Cгр и метастабильная система Fe-FeC).
Метастабильная система железо - цементит (Fe - Fe3c)
Перитектическое превращение δ+Ж↔γ протекает при 1494±2°C. Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка H) отвечает 0,1% (по массе), или 0,46% (ат.). Для точки J приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.); для точки B - значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа, линия ликвидус δ-фазы AB - почти прямая, точке B соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Fe составляет 0,5% (ат.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°C, точке J отвечает 0,18% (по массе), или 0,81% (ат.).
Кривая ликвидус аустенита BC установлена данными Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др. Почти прямолинейный вид линии солидус γ-фазы (JE) также подтверждён в работах. Предельная растворимость углерода в γ-фазе при 1147°C составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°C 2,02% (по массе), или 8,7% (ат.).
Обычно из расплавов, содержащих более 0,51% (по массе) C, выделяется γ-фаза. Однако при переохлаждении расплавов, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, наблюдалась кристаллизация δ-фазы по метастабильному ликвидусу BB' и солидусу HH' с последующей перекристаллизацией пересыщенной углеродом δ-фазы в равновесную γ-фазу по реакции жδ+δпересыщ→жγ+γ, что указывает на существование в расплавах, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, смешанного ближнего порядка жδ+δ→жγ+γ.
Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5% (по массе) C, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe3C→Fe+Cгр). По расчётным данным, виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°C. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250-1300°C.
В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7% (по массе) C после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено. Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe7C3, Fe2C и Cалм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов FexC (Fe2C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закалённой стали.
Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°C, эвтектике (точке С) соответствует 4,30% (по массе), или 17,28% (ат.) C.
Превращение γ↔α (A3, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.
Эвтектоидная точка находится при 723°C и 0,76% (по массе), или 3,44% (ат.) C, а по другим данным, при 727,2±0,5°C и 0,765% (по массе), или 3,46% (ат.). Таким образом, температуры и концентрации для всех характерных точек метастабильной системы Fe-Fe3C подтверждены последующими работами.
Растворимость цементита в α-Fe (кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095% (ат.) C. Согласно другим данным, растворимость цементита в α-Fe при 723°C равна 0,025% (по массе).
Метастабильная система Железо - Цементит проявляется только при содержании углерода до 6,67% (по массе) С (Fe3C). При высоких давлениях цементит Fe3C стабилизируется и появляется карбид Fe7C3, находящийся в равновесии с алмазом. Метастабильная система Железо - Цементит представляет фрагмент полной диаграммы Железо - Алмаз, проявляющейся полностью только при высоких давлениях, когда стабильными становятся карбиды Fe3C, Fe7C3 и алмаз. Цементит имеет узкую область гомогенности, изображаемую обычно вертикально.
Углеродистые стали 45 и У8 после закалки и отпуска имеют структуру мартенсит отпускаи твердость: первая- 50 HRC, вторая- 60 HRC. Укажите температуру закалки для каждой стали. Опишите превращения, происходящиев этих сталях в процессе закалки и отпуска. Объясните, почему сталь У8 имеет большую твердость, чем сталь 45.
Закалка – термическая обработка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит. Для стали 45 температура АС3 = 770°С, поэтому температуру закалки выбираем 810-840°С.
Для стали У8 критическая точка АС1 = 720°С, поэтому температура закалки равна 770-790°С
Низкий отпуск снижает закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. При отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения из нее углерода в виде ε-карбида.
Низкий отпуск
для обеих сталей проводим при температуре
160-200ºС. Более высокие температуры
применять не следует, так как это приводит
к снижению твердости, статической и
усталостной прочности, износостойкости
изделий. Структура стали 45 – отпущенный
мартенсит, стали У8 – отпущенный мартенсит
+ цементит (при доэвтектоидной концентрации
углерода в стали У8 цементит выделяться
не будет). 
Рисунок 2 – Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода
Из рисунка 2 видно, что сталь У8 (0,8-0,9% С) после закалки имеет большую твердость, чем сталь 45 (0,42-0,50% С).
Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима термической обработки, обеспечивающее получение твердости 50-53 HRC. Укажите, как этот режим называется и какая структура при этом получается.
Р
исунок
1 – Диаграмма изотермического превращения
аустенита стали У8
Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 50-53 HRC, является изотермическая закалка. При изотермической закалке сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в нижний бейнит, имеющий твердость 50-53 HRC. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. В качестве охлаждающей среды при изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи.