Фазы на диаграмме состояния железо-цементит

На рис. 5.1 приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от чистого железа до карбида железа – Fe₃C (6,67% С), т.н. диаграмма железо-цементит (или железо-углерод). Указано ориентировочное назначение сплавов с различным содержанием углерода (ниже оси абсцисс).

На рис. 5.2 более подробно показана левая часть диаграммы железо-цементит, где углерода содержится не более 0,025% – точка P, при температуре 727 ⁰С, а остальное – 99,975% Fe. При комнатной температуре растворимость углерода в -железе около 0,006% (точка Q). Твердый раствор внедрения углерода в называется ферритом. Феррит по свойствам мягкий и пластичный, как железо.

⁰С

Феррит

Феррит + аустенит

0,025

Fe

D N7gmcHylq3jYM6mGGBsofSAdeA6Mfb/qo8rjSZw4SLKCaoc6WBhMiY8IgwbsV0o6NGRJ3ZcNs4IS 9UajlrPxdBocHDfT/EWGG3uaWZ1mmOYIVVJPyRBe+uj6QM2ZC9R8KaMeD5MchkajRZkOjyI4+XQf qx6e7uIPAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAcySm1twAAAAJAQAADwAAAGRycy9kb3ducmV2Lnht bEyPTU/DMAyG70j8h8hI3FiaabBSmk4THxIHLoxyzxrTVDRO1WRr9+/xTuNoP69ePy43s+/FEcfY BdKgFhkIpCbYjloN9dfbXQ4iJkPW9IFQwwkjbKrrq9IUNkz0icddagWXUCyMBpfSUEgZG4fexEUY kJj9hNGbxOPYSjuaict9L5dZ9iC96YgvODPgs8Pmd3fwGlKyW3WqX318/54/XiaXNfem1vr2Zt4+ gUg4p0sYzvqsDhU77cOBbBS9hrXKlxxlsFqB4ECuFC/2TNaPIKtS/v+g+gMAAP//AwBQSwECLQAU AAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnht bFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVs c1BLAQItABQABgAIAAAAIQDDCLbNJwIAAAIEAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9j LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBzJKbW3AAAAAkBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAIEEAABkcnMvZG93 bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAigUAAAAA " filled="f" stroked="f">

C

Феррит + цементит третичный

G

P

Q

0,006

Линия предельной растворимости углерода в -железе

Рис. 5.2. Левая часть диаграммы железо-цементит

Твердый раствор внедрения углерода в , называется аустенитом; растворимость углерода до 2,14% С (точка E), при температуре 1147°C (рис. 5.1). По свойствам он тоже мягкий и пластичный.

При содержании углерода в железе 6,67% образуется химиче­ское соединение Fe₃C – карбид железа, со своей сложной кристаллической структурой (рис. 5.3). Он обладает высокой твердостью и хрупкостью, как цемент (отсюда другое название – цементит). Fe₃C плавится примерно при 1550 °C.

Точка А 1539°C на диаграмме отвечает температуре плавления чистого железа, а точка D (1550°C) – температуре плавления цементита Fe₃C, точка G (910 °С) соответствует полиморфному пре­вращению в железе.

Рис. 5.3. Кристаллическая структура цементита (Fe₃C):

чёрный цвет – атомы углерода

Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температуры, соответствующей линии ликвидус ACD. Конец кри­сталлизации соответствует температурам, образующим линию солидус AECF. В сплавах, содержащих углерода до 2,14%, кристалли­зация закончится с образованием чистого аустенита (рис. 5.4). В интервале температур от 1392 °С до температуры плавления сплавы с содер­жанием углерода до 0,51% претерпевают перитектическое превра­щение, которое не оказывает значительного влияния на термиче­скую обработку, так как оно заканчивается образованием аустенита, и поэтому это превращение с целью упрощения нами опущено.

Рассмотрим кристаллизацию доэвтектических сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% С. Например, рассмотрим кристаллизацию сплава 1 с тремя процентами углерода (рис. 5.1). Кристаллизация начинается при . Исходя из правила коноды, из жидкости будут выпадать кристаллы аустенита. Линия – это конода. Химический состав жидкости определяется проекцией точки на ось концентраций, а химический состав кристаллов аустенита – проек­цией точки .

Весовое количество жидкости при температуре определяется отношением отрезков , а весовое количество кристаллов аустенита – отношением . В результате при кристаллизации от до 1147 °С химический состав жидкости меняется по линии ликвидус и приходит в точку С. Химический состав кристаллов аустенита изменяется при этом по линии солидус и приходит в точку Е.

При 1147 °С жидкость, которая по составу пришла в точку С, становится насыщенной одновременно и кристаллами цементита, и кристаллами аустенита и идет эвтектическая реакция:

Эта смесь кристаллов аустенита и цементита называется эвтектикой или ледебуритом. Ниже 1147 °С сплав будет находиться твердом состоянии и структура у него будет аустенит, ледебурит и цементит вторичный. При температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит.

Заэвтектические сплавы, содержащие углерода от 4,3 до 6,6%, кристаллизуются так же, как и доэвтектические сплавы, только вместо кристаллов аустенита из жидкости выпадают кристаллы цементита . После затвердевания эти сплавы имеют структуру: кристаллы цементита и ледебурита. Причем цементит, кристаллизирующийся из жидкости по линии CD, называется первичным цементитом.

Эвтектический сплав, содержащий углерода 4,3%, затвердевает в результате эвтектической реакции с образованием чистого ледебурита, состоящего из кристаллов аустенита и цементита.

Теперь рассмотрим вторичную кристаллизацию, то есть превращения, которые происходят в сплавах при дальнейшем охлаждении после кристаллизации. Эти превращения связаны в основном с полиморфным превращением и соответственно с распадом аусте­нита.

Линия GS на диаграмме (рис. 5.1, 5.4) при охлаждении соответству­ет температурам начала полиморфного превращения железа – . Поэто­му ниже этой линии из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обо­значать при охлаждении и при нагреве, то есть когда феррит полностью растворится в аустените.

Линия ES – это линия предельной (максимальной) растворимости углерода в аустените. С понижением температуры растворимость уменьшается от 2,14% (при 1147 °C) до 0,8% С (при 727 °C) и из­быток углерода выпадает в осадок в виде цементита вторичного . Критические точки, образующие линию ES, обозначают .

PQ – это то же, что и ES, но только в феррите, и выпадает в осадок цементит третичный .

При 727 °C аустенит по составу приходит в точку S (0,8% С) и становится насыщенным и ферритом, и цементитом и идет эвтектоидная реакция:

Эта смесь феррита и цементита называется эвтектоидом или перлитом. Следовательно, ниже 727 °C вместо аустенита будет перлит. В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах.

Температуру эвтектоидного превращения (727°C) обозначают (при охлаждении) и (при нагреве).

Сплавы, содержащие углерода от 0,025% (точка Р) до 0,8% (точка S), называются доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррит, который образуется в интервале температур ниже линии GS до 727 °C, и перлит, образующийся по эвтектоидной реакции.

Сплавы, содержащие углерода до 0,025% называются техническим железом, имеют структуру из чистого феррита (это у сплавов до точки Q) или феррита с небольшим количеством выделений по границам зерен (это у сплавов от точки Q до точки Р).

Сталь, содержащая углерода 0,8% называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только чистый эвтектоид – перлит.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, образовавшегося в интервале температур от линии ES до 727 °C, и перлита образовавшегося в результате эвтектоидной реакции при 727 °C.

Сплавы, содержащие углерода свыше 2,14%, называются чугунами. У них ниже 727 °C вместо аустенита будет перлит, поэтому ледебурит будет состоять из перлита и цементита, и его называют превращенным ледебуритом.