Диаграмма железо-цементит и фазовые превращения

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний (рисунок 19).

Рисунок 19 – Диаграмма состояния Fe – Fe₃С

Выше линии ликвидуса ABCD сплавы железа с углеродом находятся в состоянии жидкого раствора. Повышение содержания углерода до 4,3% вызывает сильное снижение температуры начала кристаллизации с 1536 до 1147 °С; с дальнейшим повышением содержания углерода температура начала кристаллизации вновь повышается. Окончание процесса первичной кристаллизации происходит при температурах, лежащих на ломанной линии солидуса AHIECF.

На диаграмме имеются эвтектическая линия ECF и эвтэктоидная линия PSK. Сплавы, претерпевающие при охлаждении эвтектическое превращение, называются белыми чугунами (содержание углерода более 2,14%); сплавы, в которых эвтектическое превращение отсутствует, называются сталями (содержание углерода равно или меньше 2,14%).

В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.

Ферритом (Ф) называют твердый раствор углерода в α-железе, имеющем объемно центрированную кубическую решетку. Существуют две области однофазного состояния феррита: высокотемпературная область ANH и низкотемпературная область GPQ). Растворимость углерода в феррите, как видно из диаграммы, весьма невелика: максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10% – точка Н, в низкотемпературной области 0, 02% – точка Р.

Аустенитом (А) называют твердый раствор углерода в γ-железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. Аустенит занимает довольно большую область диаграммы NGSEI; растворимость углерода в аустените высокая, до 2,14% – точка Е.

Цементитом (Ц) называют химическое соединение железа с углеродом, химическая формула которого Fe₃C (карбид железа). Это химическое соединение содержит 6,67 %С; ему отвечает правая ордината диаграммы.

На диаграмме, следовательно, имеются четыре вышеуказанные однофазные области: жидкого раствора, феррита и аустенита; все остальные области диаграммы являются двухфазными.

В области АНВ в равновесии находятся кристаллы высокотемпературного феррита и жидкого раствора; в области HNI в равновесии кристаллы феррита и аустенита; в области IECB – кристаллы аустенита и жидкий раствор; в области CDF – кристаллы цементита и жидкий раствор; в области SECFK – кристаллы аустенита и цементита; в области QPSKL в равновесии находятся кристаллы феррита и цементита.

Горизонтальные линии диаграммы выражают состояние трехфазного равновесия. На горизонтальной линии HIB в равновесии находятся две твердые фазы и одна жидкая; при охлаждении сплавов происходит перитектическое превращение, состоящее во взаимодействии феррита 0,1% С, с жидким раствором, содержащим 0,51% С; в результате взаимодействия образуется аустенит 0,16 % С. Реакцию можно записать: Ф0,10 + ж.р.0,51 → А0,16. При нагревании происходит обратное превращение.

На горизонтальной линии ECF в равновесии находятся одна жидкая и две твердые фазы: при охлаждении сплавов происходит эвтектическое превращение, состоящее в том, что жидкий раствор эвтектической концентрации (4,3% С) затвердевает, образуя эвтектическую смесь кристаллов аустенита с 2,14% растворенного углерода и кристаллов цементита. Реакцию можно записать: ж.р.4,3 → А2,14 + Ц. При нагреве происходит обратное превращение. Эвтектика железоуглеродистых сплавов называется ледебуритом.

На горизонтальной линии PSK в равновесии находятся три твердые фазы; при охлаждении происходит эвтэктоидное превращение; аустенит, содержащий 0,81% С, распадается на эвтэктоидную смесь, состоящую из кристаллов феррита, в котором растворено 0,02% С, и кристаллов цементита. Реакцию можно записать: А 0,765 → Ф0,02 + Ц. При нагреве происходит обратное превращение. Эвтектоид железоуглеродистых сплавов называется перлитом.

На диаграмме имеются три линии насыщении: NH, указывающая растворимость углерода в феррите при высоких температурах; линия насыщения SE, указывающая растворимость углерода в аустените, и линия насыщения PQ, указывающая растворимость углерода в феррите при относительно низких температурах. При охлаждении сплавов согласно указанным линиям твердые растворы обедняются углеродом.

Кристаллы цементита при охлаждении железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава сплава и температуры могут выделяться из жидкого раствора, из аустенита и из феррита. Цементит, выделяющийся из жидкого раствора (по линиям CD и ECF) называют первичным, цементит, выделяющийся из аустенита (по линиям SE и PSK), называют вторичным, и цементит, выделяющийся из феррита (по линии PQ), называют третичным.

Структурное состояние железоуглеродистых сплавов может быть более сложным, чем их фазовое состояние. Эго обусловлено тем, что присутствующие в сталях и чугунах кристаллические фазы образуют сложные структурные составляющие: эвтектику и эвтектоид.

При анализе совершающихся в сплавах превращений необходимо учитывать распределение имеющихся кристаллических фаз между различными структурными составляющими, а также различное происхождение этих фаз (первичные, вторичные и третичные).

Выводы по лекции

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C – цементит. Диаграмма фазового равновесия железо-цементит – графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматривается часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит – фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной. Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит, поскольку именно графит является стабильной фазой.