10.2. Диаграмма состояния железо - цементит (метастабильное равновесие)

На диаграмме состояния железо - цементит (рис. 44) даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 %).

Система железо - цементит метастабильна. На диаграмме железо цементит точка А (15390С) отвечает температуре плавления железа. Линия FKL соответствует цементиту, на базе которого возможно образование твердого раствора. Точки N (13920С) и G (9100С) со-ответствуют полиморфному превращению .

Концентрация углерода для характерных точек диаграммы состояния

Обозначение точки

на диаграмме Температура 0С Концентрация

углерода, %

A 1536 0

B 1499 0,51

H 1499 0,10

J 1499 0,16

N 1392 0

E 1147 2,14

C 1147 4,30

F 1147 6,67

D 1800 6,67

G 911 0

P 727 0,02

S 727 0,8

K 727 6,67

Q 600 0,01

L 600 6,67

Кристаллизация сплавов Fe - Fe3C. Линия диаграммы состояния железо - цементит, опреде-ляющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл.

АВ (линия ликвидус) показывает температуру, ниже которой происходит кристаллиза-ция  - феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС (линия ликвидус) соответствует температу-ре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); СD (линия ликвидус) соот-ветствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe3CI) из жидкого сплава (Ж); АН (линия ликвидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов  - феррита (Ф); ниже этой линии существует только  - феррит; HJB- линия перитектического нонвариантного (C = 0 ) равновесия (14900C); по достижении тем-пературы, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость со-става точки В взаимодействует с кристаллами  - феррита состава точки Н с образование ау-стенита состава точки J):

ЖB + ФH  АJ

Линия ECF (линия ликвидус) соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурит:

ЖC  АE + Fe3C

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов. Так в сплавах содержащих до 0,1 % С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии АН, с образо-вание  - феррита. В сплавах, содержащих 0,1 - 0,16 %С , по достижении температур, отве-чающих линии АВ, из жидкой фазы начинаются выделяться кристаллы  - феррита, и сплав становится двухфазным. Состав  - феррита при понижении температуры меняется про ли-нии солидус, а состав жидкого сплава - по линии ликвидус. При температуре 14900С в рав-новесии находятся  - феррита состава точки Н (0,1 %С) и жидкая фаза состава точки В (0,51 % С).

При этой температуре протекает перитектическое превращение ЖВ + ФН  ФН + АJ , в результате которой образуется двухфазная структура  - феррит (Ф) +  твердый рас-твор (А). В сплаве, содержащей 0,16 %С ( точка J) , исходные кристаллы твердого раствора  - феррита в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в аустенит:

ЖВ + ФН  АJ

В сплавах, содержащих от 0,15 до 0,5 %С при перитектической температуре в резуль-тате взаимодействия между - ферритом и жидкой фазой образуется аустенит, но некоторое количество жидкой фазы остается: ЖВ + ФН  ЖВ + АJ.

Поэтому при температурах ниже линии JB сплав будет двух фазным: аустенит + жид-кость. Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE . После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру - ау-стенит.

Сплавы, содержащие от 0,51 до 2,14 % С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями BC и JE . Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аусте-нита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а ау-стенита - по линии солидус. После затвердевания (ниже линии солидус) сплавы получают однофазную структуру - аустенит.

При температуре 11470С аустенит достигает предельной концентрации, соответствую-щей точке Е (2,14 %С) , а оставшаяся жидкость - эвтектического состава точки С (4,3%С).

При температуре эвтектики ( линия ECF) существует нонвариантное равновесие (С = 0) аустенита состава точки Е (АЕ), цементита состава точки F (Fe3C) и жидкой фазы состава точки С (ЖС). В результате кристаллизации жидкого сплава состава точки С (4,5 % С) обра-зуется эвтектика - ледебурит, состоящий в момент образования из аустенита состава точки Е и цементита состава точки F.

ЖС  АЕ + Fe3C

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe3C). Эвтектический сплав ( 4,3 % С) затвердевает при постоянной температуре с обра-зованием только эвтектики - ледебурита.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении об-разуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие раз-ветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пла-стинчатое строение не редко сочетается в пределах одной эвтектической колонии.

Заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % С) начинают затвердевать с понижением темпе-ратуры по линии ликвидус CD , когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы це-ментита, концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 11470С жидкость достигает эвтектической концентра-ции 4,3 %С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэв-тектические чугуны состоят из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14 % С - чугуном. При-нятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью уг-лерода в аустените. Стали, после затвердевания, не содержат хрупкой структурной состав-ляющей - ледебурита - и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обла-дающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и пониженных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойст-вами и, в частности, более низкими и температурами плавления, имеет меньшую усадку, это объясняет присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Фазовые и структурные изменения в сплавах железо -цементит после затвердевания. Превращения, протекающими в твердом состоянии, описываются следующими линиями. Линия NH - верхняя граница области существования двух фаз  - феррита и аустенита. Ли-ния NJ - нижняя граница их существования. Верхняя граница области существования фер-рита (в парамагнитном существовании) и аустенита соответствует линия GO. Линия OS - верхняя граница области существования феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустени-та.

Температуры, соответствующие линии в условиях равновесия, принято обозначать А3 ( Аr3, Аc3 ).

В сталях, содержащих до 0,8 % C , полиморфное превращение протекает в интервале температур и сопровождается распределением углерода меду ферритом и аустенитом.

Линия предельной растворимости углерода в аустените SE при охлаждении соответст-вует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита, а при нагреве концу растворения вторичного цементита в аустените. Принято критические точки, соот-ветствующие линии SE, обозначать Аcm. Линия GP при охлаждении отвечает температу-рам окончания превращения аустенита в феррит, а при нагреве - началу превращения фер-рита в аустенит.

Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аусте-нита (0,8 % С) с образованием эвтектоида – ферритно-цементитной структуры, получившей название перлит.

АS  ФP + Fe3C

Температуры, соответствующие линии PSK при охлаждении обозначают Ar1, а при нагреве Aс1.

Сплавы, содержащие  0,02 % С (точка P), называется техническим железом. Ниже линии GP (рис. 45а) существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижению температур, соответствующих линии PQ из феррита выделяется цементит (тре-тичный), что резко снижает его пластичность

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными.

При более низких температурах (ниже линии GOS) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем углерода возрастает, так как феррит почти не содержит уг-лерода ( 0,02 % С).

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита - по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По дости-жению температуры 7270С (A1) содержание в аустените достигает 0,8 % (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит. При этом система нонвариантная С = 2 +1 -3 = 0.

После окончательного охлаждения доэвтектоидной стали имеют структуру феррит – перлит (рис. 45 б - е).

Чем больше в стали углерода, тем меньше феррита и больше перлита (феррит в виде оторочки вокруг зерен перлита).

Сталь, содержащую 0,8 % С , называют эвтектоидной. В этой стали, по достижении температуры 7270С весь аустенит превращается в перлит.

Перлит имеет чаще пластинчатое строение ( рис. 45 ж- з) , то есть из чередующих пластинок феррита и цементита. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение. В этом случае цементит образует сфероиды (рис. 44 и).

Сталь, содержащие от 0,8 до 2,14 % С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аусте-нит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный аустенит). По мере выделения цементита концентрация в углероде в аустените уменьшается согласно линии ES.

После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки или в виде игл. Такой вид цементита делает сталь хрупкой, поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму.

Доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеет структуру: перлит, ледебурит ( перлит + цементит) и вторичный цементит. Эвтектический чугун содержит 4,3 % С, при температурах ниже линии 7270С состоит только из ледебурита (перлит + цементит). За эвтектический чугун состоит из первичного цементита и ледебурита. С повышение концентрации количество цементита возрастает.

Фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре  7270С они состоят из феррита и цементита.

8.3. Влияние углерода и постоянных (технологических) примесей на свойства стали

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей, влияющих на ее свойства.

Таблица 2

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

элементы концентрация,

% свойства

Углерод от 0 до 6,67 Повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличение % С повышается твердость, предел прочности и текучести и уменьшается отно-сительное удлинение и сужение, ударная вязкость и трещиностойкость, облегчает переход в хладнолом-кое состояние (рис. 46,47.)

Кремний <0,3 7 Повышает предел текучести, что снижает способность стали к вытяжке.

Марганец <0,8 Заметно повышает прочность, не снижая пла-стичности и резко уменьшает красноломкость ста-ли, т. е. хрупкость при высоких температурах.

Сера <0,035 - 0,06 Она является вредной примесью в стали, обра-зуя FeS, что способствует появлению легкоплавкой эвтектики и является причиной красноломкости. Введение марганца, который образует с серой MnS, исключает ее. Сернистые включения снижают ударную вязкость пластичность, снижает порог хладноломкости "сульфидный парадокс". Сера ухудшает свариваемость и коррозийную стойкость.

Фосфор <0,025 - 0,045 Она тоже является вредной примесью. Уве-личивает пределы прочности и текучести, искажая кристаллическую решетку. При этом уменьшает пластичность и вязкость. Повышает порог хладно-ломкости и уменьшает работу развития трещин. Способствует охрупчиванию, в результате к сегре-гации по границам зерен.

Азот

Кислород Водород Присутствуют в виде неметаллических вклю-чений - оксидов; твердого раствора или находясь в свободном виде, располагаясь по дефектам (ракови-ны, поры, трещины) Выделение нитридов или окси-дов по границам зерен, повышают порог хладно-ломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения опреде-ляют "металлургическое качество стали". Они ухудшают свойства стали. Очень вреден водород. Он образует флокены. Сталь содержащая флокена не применяется в промышленности.