Железоуглеродистые сплавы.

Диаграмма состояния системы «железо – углерод»

Диаграмма состояния железо – углерод (Рис.37.) дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Первое представление о диаграмме железо – углерод дал Д.К.Чернов, который в1868 году отметил существование в стали критических точек, и их зависимость от содержания в стали углерода, т.е. по сути, впервые указал на полиморфизм железа. Содержание углерода в диаграмме Fe – C (цементит) ограничивается 6, 67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (Fe₃C) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Железо – металл серебристо - белого цвета, мягкий. Чистое железо содержит 99, 91% Fe. Температура плавления железа 1539º С. До температуры 768º С железо магнитное. Температура, при которой железо теряет свои магнитные свойства, называется точкой Кюри. Железо имеет две аллотропические модификации: Fe и Fe . Железо существует при температурах ниже 911º С и выше 1401º С. В интервале температур 911-1401º С существует железо .

Второй компонент сплава – углерод – также имеет несколько аллотропических разновидностей, отличающихся между собой по внешнему виду, а также по физико-химическим свойствам: графит, алмаз и уголь. Графит – мягкое вещество, пластичен. Алмаз – самое твердое в природе вещество, хрупок, обладает высокой износостойкостью.

По диаграмме можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева. Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие.

Однофазные составляющие.

Феррит – твердый раствор углерода в железе . При комнатной температуре в феррите может раствориться не более 0, 006 % углерода. Феррит (почти чистое железо) обладает небольшой прочностью и твердостью (НВ 80-100).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), отвечающее формуле Fe₃C. Содержание углерода в цементите составляет 6, 67% и не изменяется вплоть до температуры плавления. Цементит самая твердая структурная составляющая стали (НВ 750-800); цементит имеет высокую прочность, но чрезвычайно хрупок ( = 0%); магнитен.

Аустенит – твердый раствор углерода в железе . Максимальная растворимость углерода в аустените 2, 14% при 1147º. Аустенит имеет невысокую твердость (НВ 170-200), достаточно высокую прочность наряду с хорошей пластичностью ( = 40-50%), большую стойкость против коррозии, высокое электросопротивление, немагнитен. Микроструктура аустенита представляет зерна в виде многогранников.

Двухфазные структуры.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив, отсюда и название перлит). Различают два вида перлита – пластинчатый (цементит в виде пластинок) и зернистый (цементит в виде зернышек). Зернистый перлит имеет более высокие механические свойства, чем пластинчатый, занимая промежуточное место между ферритом и цементитом (НВ 200-250). Перлит содержит 0, 83% углерода, обладает высокой прочностью и упругостью, но незначительной вязкостью.

Ледебурит (эвтектика) – смесь аустенита и цементита. Ледебурит (по имени немецкого ученого А.Ледебура) образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4, 3%С) при температуре 1147º С. Ледебурит имеет очень высокую твердость (800HV), очень хрупок.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали и чугуны.

Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2, 14%. Стали с содержанием углерода до 0, 8% называются доэвтектоидными, 0, 8% - эвтектоидными и более 0, 8% - заэвтектоидными.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2, 14%. Чугуны, содержащие менее 4, 3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4, 3% - эвтектическими и более 4, 3% - заэвтектическими.

Диаграмма состояния железо – углерод построена на координатных осях. По горизонтальной оси отложено процентное содержание углерода, по вертикальной – температура сплава.

Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) для всех сплавов начинается по линии АСD, т.е. по линии ликвидуса. При этом сплавы, содержащие 0 – 4, 3% С, начинают затвердевать по линии АС, выделяя зерна аустенита, а сплавы, содержащие более 4, 3% С, начинают затвердевать по линии СD, выделяя из жидкого сплава зерна цементита. Точка С соответствует эвтектической точке. Сплав, содержащий 4, 3% углерода, - эвтектический сплав – затвердевает при постоянной температуре 1147º С (ледебурит).

Кривая AECF (линия солидуса) соответствует концу кристаллизации сплавов. Одной из наиболее важных точек диаграммы состояния Fe –Fe₃C является точка Е, лежащая при температуре 1147º и соответствующая содержанию углерода 2, 14%. Точка Е характеризует наибольшее количество углерода, которое может растворить в себе -железо при 1147º С. С понижением температуры растворимость углерода в - железе уменьшается по линии ES и при температуре 727º (точка S) становится равной 0, 83%.все сплавы содержащие более 2, 14% С, имеют постоянную температуру конца затвердевания 1147º.

Превращения в твердом состоянии.

Чтобы лучше понять условия образования структур железоуглеродистых сплавов, которые происходят в твердом состоянии, рассмотрим процессы вторичной кристаллизации, пользуясь левой нижней частью диаграммы (Рис.38.).

Рис.38. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (левая нижняя (стальная) часть)

Вторичная кристаллизация в сплавах железо – углерод связана с переходом при охлаждении - железа в - железо и соответствующим распадом аустенита. Линия GS на диаграмме состояния соответствует началу распада аустенита с выделением из него феррита. Принято критические точки, образующие линию GS, обозначать при нагреве А_c3, а при охлаждении А_r3. линия ES указывает на уменьшение предела растворимости углерода в - железе с понижением температуры – следовательно, она соответствует началу распада аустенита с выделением из него избыточного углерода в виде цементита. Температурные точки образующие линию ES, принято обозначать A_cm. Точка S, соответствующая 0, 83%С, показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита. После понижения температуры до точки S происходит окончательный распад аустенита с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную смесь перлит. Для всех сплавов железо – углерод распад аустенита с образованием перлита соответствует точкам линии PSK точки, соответствующие этой температуре, при охлаждении обозначают A_r1, а при нагреве A_c1.

Проследим за процессом вторичной кристаллизации доэвтектоидной стали марки Ст.3 содержащей около 0, 3% С. Допустим сталь нагрета до 1000º (точка 1 на диаграмме). При этой температуре структура стали состоит из твердого раствора – аустенита. Когда температура понизится до 830º (точка А_с3 на диаграмме), начинается процесс превращения - железа в - железо и образование феррита. Таким образом, сталь при температуре ниже линии GS будет иметь двухфазную структуру – аустенит и феррит. При дальнейшем понижении температуры концентрация углерода в аустените будет возрастать и после температуры линии PSK составит 0, 83% (точка S). Аустенит, получив эвтектоидную концентрацию, распадается при постоянной температуре с образованием перлита. Таким образом, доэвтектоидные стали после окончательного охлаждения будут состоять из перлита и феррита.

По диаграмме легко определить процентное содержание углерода в зернах аустенита при любой температуре между точками А_с3 и А_с1. Допустим, что необходимо узнать, каково содержание углерода в зернах аустенита при температуре 750º (точка 2 на диаграмме). Для этого проводим линию 2-3 до пересечения с линией GS в точке 3. Спроектировав точку 3 на горизонтальную ось диаграммы, определим, что в зернах аустенита при 750º содержится 0, 71% углерода.

При охлаждении заэвтектоидных сталей происходят другие процессы. Линия ES характеризует изменение растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Выше линии ES существует только аустенит. При понижении температуры до линии ES аустенит оказывается насыщенным углеродом, который при дальнейшем охлаждении выделяется в виде цементита. Образующийся в данном случае цементит в отличие от цементита, который выделяется из жидкого сплава, называется цементитом вторичным. Следовательно, при температурах ниже линии ES будем иметь структуру: аустенит и вторичный цементит. При выделении цементита аустенит обедняется углеродом. При 727º концентрация углерода в аустените составляет 0, 83% и при этой постоянной температуре он распадается на феррито-цементитную смесь - перлит. Таким образом, заэвтектоидные стали после окончательного охлаждения будут иметь структуру, состоящую из перлита и избыточного (вторичного) цементита.