28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит

Диаграммы состояния строятся в координатах «концентрация – температура» и дают наглядное представление о фазовом составе сплавов; структурных превращениях, происходящих при нагреве и охлаждении; используются для выбора температуры при термической обработке и т. п. Для анализа превращений, происходящих в сталях и чугунах важнейшее значение имеет диаграмма состояния железо – цементит (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Диаграмма состояния железо – цементит

На этой диаграмме АВСD является линией ликвидуса; ниже ее начинается кристаллизация. Точка с минимальной температурой кристаллизации (плавления), соответствующая 4,3 % С, называется эвтектикой (от лат. «легкоплавкий»), после затвердевания сплава ей соответствует структура ледебурита. Аналогичная точка 0,81 % С, где превращение происходит в твердом виде, называется эвтектоид, ей соответствует структура перлита. АHJЕСFD – линия солидуса; на этой линии кристаллизация заканчивается, и ниже ее все образовавшиеся фазы являются твердыми.

Диаграмма состояния железо-цементит объединяет 6 структурных составляющих, включая в себя 4 фазы (жидкость, феррит, аустенит, цементит) и 2 механические смеси (перлит и ледебурит).

Феррит (Ф) представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. Это самая мягкая и пластичная структурная составляющая. Предельное содержание углерода в феррите при 727 ^оС (точка Р) около 0,02 %, а при комнатной температуре (точка Q) – 0,01 %.

Аустенит (А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Это более твердая и прочная структурная составляющая. Существует при температуре выше 727 °С. Предельное содержание углерода (точка Е) – 2,14 %.

Ц ементит (Ц) – карбид железа – химическое соединение Fe₃C (6,67 % С) со сложной кристаллической решеткой, состоящей из ряда октаэдров (рис. 28.2), и является самой твердой и хрупкой структурной составляющей. По происхождению различают первичный цементит Ц_I – выделяющийся из жидкости по линии СD, вторичный Ц_II – из аустенита по линии ЕS, третичный Ц_III – из феррита по линии РQ.

Рис. 28.2. Кристаллическая решетка цементита

Перлит³⁴ (П) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую в среднем 0,81 % С. Благодаря наличию цементита, он более прочен и тверд, чем феррит и аустенит.

Ледебурит³⁵ (Л) является механической смесью феррита и цементита, содержащей в среднем 4,3 % С. Благодаря большей доле цементита он более тверд и хрупок, чем перлит.

Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов

	σв, МПа	σт, МПа	, %	, %	НВ, МПа	KCU, МДж/м2
Феррит	250–300	120	40–50	70–80	800–1000	2,5
Аустенит					1600–2000
Перлит	800–900	450	8–16	25–30	1800–2200	< 0,4
Ледебурит					6000
Цементит					8000

На линии ECF происходит эвтектическое превращение, в результате которого при охлаждении образуются аустенит и цементит.

На линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого при охлаждении образуются феррит и цементит.

На линии HJB происходит перитектическое превращение, в результате которого при охлаждении образуются δ-феррит и аустенит. Однако это высокотемпературное превращение не имеет отношения к практике термической обработки.

Феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит являются важнейшими структурными составляющими сталей и чугунов, наблюдаемыми при микроскопическом анализе – рис. 28.3.

а б в

Рис. 28.3. Структура доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) стали после отжига