Фазы в сплавах железа с углеродом

Рис. 20. Диаграмма состоянияFe–Fe₃C

В системе Fe–C различают следующие фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, а также цементит (Fe₃C) и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф, или α ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,025 %, в высокотемпературном – 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fe_α обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК-решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансия, дислокациях). Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ_в = 300 МПа; δ = 40 %; ψ =70 %; KCU = 2,5 МДж/м²; твердость – 80–100 НВ.

Аустенит (обозначается А или γ ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Он имеет ГЦК-решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК-решетке, поэтому растворимость углерода в Fe_γ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (твердость - 160–200 НВ) при 20–25⁰С.

Цементит (обозначается Ц) – карбид железа (почти постоянного состава) Fe₃C, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабоферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210⁰С. При нагреве лазерным лучом температура плавления установлена равной 1260⁰С. Температура плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве на графит и феррит.

Превращения в сплавах системы железо–цементит

Фазовый состав

Диаграмма состояния Fe–Fe₃C, рис.20, характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe–Fe₃C. Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице 1.

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а D – температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Таблица 1

Превращения в сплавах системы Fe–Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF).

Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линия ликвидус). Завершение процесса кристаллизации соответствует температурам, образующим линию солидус AHJECF.

Верхний левый угол диаграммы характеризует превращения, связанные с аллотропическим превращением Fe_δ↔Fe_γ при высоких температурах. При температурах, соответствующих линий АВ, из жидкости выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-твердый раствор) – феррит.

В сплавах с содержанием до 0,1 %С кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии АН с образованием феррита (δ-твердого раствора).

НJB – линия перитектического превращения, протекающего при постоянной температуре. Результатом перитектического превращения является образование твердого раствора углерода в γ-железе, т.е. аустенита (А).

Перитектическое превращение на линии HJB (1499⁰С)Ф_Н+Ж_В→А_J.

В сплаве, содержащем 0,16 %С (точка J), исходные кристаллы Ф (δ-твердого раствора) и вся жидкая фаза при перитектическом превращении полностью расходуются на образование аустенита.

При температурах, соответствующих линий ВС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии CD – цементит. В точке С при 1147⁰С и концентрации углерода 4,3 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом.

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147⁰С) Ж_С→Л[А_Е+Ц_F].

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 %С из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1147⁰С (линия ECF) остатки жидкой фазы затвердевают с образованием эвтектики–ледебурита.

В белом доэвтектическом чугуне между эвтектической (1147⁰ С) и эвтектоидной (727⁰ С) температурами имеются кристаллы только двух фаз – аустенита и цементита. Распределение кристаллов этих фаз между отдельными структурными составляющими чугуна достаточно сложное. Строго определенная часть кристаллов цементита и аустенита образует самостоятельную структурную составляющую – эвтектику (ледебурит), остальная часть кристаллов обеих фаз находится в структурно свободном состоянии. В рассматриваемой области в доэвтектическом чугуне имеется цементит различного происхождения: первичный и вторичный. Весь первичный цементит структурно связан – он находится в эвтектике; вторичный цементит частично находится в эвтектике структурно он неразличим, так как кристаллы вторичного цементита по мере выделения их из эвтектического аустенита накристаллизовываются (осаждаются) на кристаллы первичного цементита эвтектики, остальная часть кристаллов вторичного цементита структурно свободна и является самостоятельной структурной составляющей чугуна.

Заэвтектические сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67 %С, начинают затвердевать по достижении температур, соответствующих линии СD. Первоначально из жидкой фазы выделяются кристаллы цементита, а по достижении 1147⁰С (линия ECF) остатки жидкой фазы затвердевают с образованием эвтектики–ледебурита.

После затвердевания структура сплава состоит из кристаллов цементита + ледебурит. Цементит, образующийся из жидкой фазы, называют первичным цементитом.

Линия GS на диаграмме, рис.20 при охлаждении соответствует температурам начала превращения Fe_γ ↔ Fe_α. Ниже линии GS из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обозначать Ar₃ при охлаждении и Ac₃ при нагреве.

Линия ES показывает изменение растворимости углерода в γ-железе при снижении температуры сплавов и соответствует температурам начала частичного распада аустенита с выделением из него цементита. Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующего из жидкой фазы, называют вторичным. Критические точки, образующие линию ES, обозначают A_cm.

Превращения, протекающие в твердом состоянии, связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита, рис.20.

Точка S при 727⁰С и концентрации углерода 0,8 % показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита при охлаждении.

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727⁰С) A_S→[Ф_Р+Ц].

Эвтектоидная смесь феррита и цементита–перлитом. Эвтектоид–перлит (0,8 %С) и эвтектику–ледебурит ( 4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаше всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σ_в = 800…900 МПа; σ_0,2 = 450 МПа; δ ≤ 16 %; твердость -180…220 НВ.

При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 – 25⁰С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (более 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Линия PQ показывает изменение растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры и соответствует при охлаждении началу выделения из феррита избыточного цементита.

Следовательно, сплавы левее точки Q состоят только из феррита, а сплавы, концентрация которых находится в пределах от Q до Р, имеют двухфазную структуру: феррит и избыточный цементит, выделяющийся из твердого раствора при понижении температуры. Цементит, выделяющийся из феррита, называют третичным цементитом.

Сплавы, содержащие не более 0,025% С, называют техническим железом. Сплавы, имеющие концентрацию углерода от 0,025 до 0,8% (точка S) называют доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррита, выделяющегося из аустенита в области температур А_r3 и A_r1 и перлита, образующегося из аустенита по достижении температуры A_r1 (727⁰С, линия PSK на рис.20).

Сталь с 0,8 %С называют эвтектоидной. Она имеет в структуре только эвтектоид – перлит, рис.20. Стали, содержащие от 0,8 до 2,14 %С (точка Е), называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, выделившегося из аустенита при температурах ниже линии ES, и перлита, образовавшегося в результате распада аустенита по достижении эвтектоидной температуры (727⁰С, линия PSK на рис.20).

В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14….4,3 %С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените по линии ES, происходит выделение из твердого раствора кристаллов вторичного цементита и уменьшении содержания углерода в аустените.

По достижении температуры, соответствующей линии PSK (727⁰C), аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8 %С), превращается в перлит. Доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.

Эвтектический чугун (4,3 %С) при температурах ниже 727⁰С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун, содержащий 4,3…..6,67 %С, при температурах ниже 727⁰С состоит из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).