1.5.2.Диаграмма состояния железо–цементит(Fe–Fe3c)
Диаграмма состояния Fe–Fe3C (в упрощенном виде) приведена на рис. 2.12. На этой диаграмме точка А (1539°С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~1600°С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD – линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и чугунов. Линия AECF – линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).
По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом.
Рис. 2.12. Диаграмма состояния Fe–Fe3C (в упрощенном виде)
В точке С при 1147°С и содержании 4,3% С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14% С окончательно затвердевают с образованием аустенита. По линии солидуса ЕС (1147°С) сплавы с содержанием 2,14–4,3%С окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, то такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит+ледебурит. По линии солидуса CF (1147°С) сплавы с содержанием 4,3–6,67%С окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), то такие сплавы после затвердевания имеют структуру первичный цементит+ледебурит.
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием до 2,14%С образуется однофазная структура – аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, стали – это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14%С. Сплавы с содержанием более 2,14%С, в которых при кристаллизации образуется ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугуны – это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14%С. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.
В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Критические точки, лежащие на линии GS, обозначают А3 (при нагреве Аc3, а при охлаждении Аr3). Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147°С в аустените может раствориться 2,14%С, а при 727°С – 0,8%С. С понижением температуры из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Аст. В чугунах с содержанием 2,14–4,3%С при 1147°С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит.
Линия PSK (727°С) – линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом (~200 НВ). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначают А1 (при нагреве Ас1, а при охлаждении Ar1).
Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,006% при комнатной температуре. При охлаждении ниже 727°С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным.
Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.
Стали с содержащие менее 0,8%С – феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями (рис. 2.13, а).
Стали с содержанием 0,8%С – перлит, называют эвтектоидными сталями (рис. 2.13, б).
Стали с содержанием 0,8–2,14%С – перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталиями (рис. 2.13, в).
В рассмотренных выше сплавах, таким образом, имеются три твердые фазы – феррит, цементит и аустенит и эти же фазы в структурно связанном состоянии: эвтектоид – перлит и эвтектика – ледебурит.
Рис. 2.13. Микроструктура стали [30]: а – доэвтектоидная сталь–феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), 500; б – эвтектоидная сталь–перлит, 1000; в – заэвтектоидная сталь–перлит и цементит (в виде сетки), 200
В сплавах железо–углерод при распаде аустенита возможна кристаллизация углерода в свободном состоянии в виде графита.
Графит является неметаллической фазой, он мягок и обладает низкой пластичностью, располагается в основной массе сплава, имеет развитую объемную форму в виде пластинок.
Диаграмма состояния системы железо–цементит используется на практике для определения видов и режимов термической обработки стали с целью придания сплаву необходимых свойств.