Превращения в сплавах железо – углерод

Диаграмма железо – углерод строится в тех же координатах, что и ранее рассмотренные диаграммы состояния: по оси абсцисс – концентрация углерода в сплавах, по оси ординат – температура (рис. 64). Приведенная с некоторыми упрощениями диаграмма заканчивается ординатой, соответствующей химическому соединению железа с углеродом – цементиту (6,69 % C). Правее этой концентрации диаграмму обычно не изображают, так как эти сплавы не имеют практического применения.

Рис. 64. Диаграмма состояния железо – цементит

Линия ACD – ликвидус диаграммы. В левой части, под кривой AC, кристаллизуется аустенит, а в правой, под кривой CD, – цементит. Солидус диаграммы AECF состоит из криволинейного участка AE, на котором заканчивается кристаллизация аустенита, и горизонтального участка ECF, на котором образуется эвтектика, состоящая из аустенита и цементита:

Ж_4,3 → А_2,14 + Ц_6,7.

В сплавах, расположенных левее точки C, по мере образования аустенита концентрация углерода в жидкости растет, так как аустенит содержит не более 2,14 % С. А в сплавах, расположенных правее точки C, наоборот, по мере кристаллизации цементита содержание углерода в жидкости снижается. К моменту достижения температуры 1147 ºC жидкий раствор в любом сплаве имеет эвтектическую концентрацию: 4,3 % С.

Но с окончанием кристаллизации превращения в сплавах железа с углеродом не заканчиваются. Железо при 911 ºC меняет тип решетки, растворимость углерода в нем резко уменьшается. В области GSP сосуществуют два твердых раствора: феррит и аустенит. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8 % С, в аустените зарождаются и растут зерна новой, равновесной при низкой температуре, фазы – феррита. При этом концентрация углерода в аустените растет, так как феррит углерода почти не содержит. К моменту достижения температуры 727 ºC аустенит содержит 0,8 % С.

Кроме того, по мере охлаждения уменьшается и растворимость углерода в аустените. На диаграмме это отражает линия SE – линия предельной растворимости; ниже этой линии углерод выделяется из решетки γ-железа. Но активный атомарный углерод тут же вступает в химическое взаимодействие с железом, образуя карбид Fe₃C (цементит). Этот цементит называют вторичным, потому что он выделяется из твердого раствора, а не кристаллизуется из жидкости. Во всех сплавах, содержащих более 0,8 % С, при охлаждении из аустенита выделяется цементит. При этом концентрация углерода в аустените снижается: от 2,14 % при 1147 ºC до 0,8 % при 727 ºC.

Итак, при температуре эвтектоидного превращения (727 ºC) аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию (0,8 % С), распадается на механическую смесь кристаллов феррита и цементита:

А_0,8 → Ф_0,02 + Ц_6,7.

При нормальной температуре все многообразие структур в сплавах железа с углеродом строится из двух равновесных фаз: феррита и цементита.

Стали и чугуны

Сплавы железа с углеродом издавна разделяли на две большие группы: стали и чугуны.

Границей между этими двумя группами сплавов является точка E с содержанием углерода 2,14 % – предел растворимости углерода в железе. Но и задолго до появления точных методов анализа, и вообще материаловедения как науки, мастера плавильного и кузнечного дела прекрасно отличали сталь от чугуна, получали их и обрабатывали. Эти сплавы имеют совершенно разные технологические свойства: сталь можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую проволоку, с чугуном же это проделать не удастся, он разрушается от ударных и растягивающих нагрузок. Зато чугун является одним из лучших литейных сплавов, позволяя получать тонкостенные фасонные отливки.

Эта разница в свойствах становится понятна, если проанализировать диаграмму состояния железо – углерод. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый.

Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Это значит, что такие сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные.

Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления.