Диаграмма состояний железоуглеродистых сплавов

диаграмма состояния сплавов Fe—Fe3C. По оси ординат отложены температура, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует содержанию 100% Fe, а правая ордината —содержанию 6,67% С или 100% цементита Fe3C.

Температура плавления железа — 1535° С (точка А на диаграмме); температура плавления цементита Fe3C — 1550° С (точка D на диаграмме); температура 910° С (точка G) соответствует аллотропическому превращению железа α ↔ γ; точка Е характеризует максимальную растворимость углерода в γ железе при 1130° С (2,0% С); линия ACD —линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидуса); линия AECF —линия конца кристаллизации сплавов (линия солидуса); линия GSE —линия начала перекристаллизации сплавов в твердом состоянии; линия PSK (температура 723° С) —линия конца превращений структурных составляющих в твердом состоянии.

При затвердевании железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие:

1) Аустенит — твердый раствор углерода в Feγ Он имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и под микроскопом представляется в виде светлых зерен с характерными двойными линиями. Твердость аустенита НВ 220; он немагнитен и при охлаждении сплавов существует только до температуры 723° С.

2) Феррит — твердый раствор углерода в Feα; он имеет кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, его свойства близки к свойствам чистого железа: пластичен (δ=50%); мягок (НВ 80); предел прочности σв= 250 Мн/м2 (25 кГ/мм2); до температуры 768° С он обладает магнитными свойствами.

3) Цементит или карбид железа Fe3C обладает высокими твердостью (НВ 800) и хрупкостью; различают три формы цементита:

а) первичный цементит (Ц1), выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава;

б) вторичный цементит (Ц2), выделяющийся из твердого раствора аустенита;

в) третичный цементит (Ц3), выделяющийся из твердого раствора феррита.

Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц-пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими —частицы третичного.

До температуры 210° С цементит обладает магнитными свойствами.

Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется из аустенита при перекристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8% С. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение, в зависимости от этого его механические свойства колеблются в следующих пределах: НВ 160—230; σв = 630 ÷ 820 Мн/м2 (63—82 кГ/мм2); δ = 15 ÷ 20%.

Ледебурит— эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита образуется при температуре 1130° С (точка С на диаграмме) и содержит 4,3% С; он твердый (НВ 700) и хрупкий.

Ледебурит является структурной составляющей белых чугунов.

В зависимости от концентрации углерода и структуры стали и чугуны подразделяют на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура —феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура —перлит; заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,0%); структура —перлит и вторичный цементит; доэвтектические (белые) чугуны (от 2 до 4,3%); структура —ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит; эвтектический белый чугун (4,3% С); структура—ледебурит; заэвтектические белые чугуны (от 4,3 до 6,67% С); структура —ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.

Рассмотренная диаграмма состояния Fe — Fe3C является неравновесной (метастабильной), так как она получена в условиях сравнительно быстрого охлаждения, при которых углерод находится в виде Fe3C.

Если железоуглеродистые сплавы подвергать очень медленному охлаждению или же вводить в них кремний, способствующий графитизации, то вместо цементита в чугунах может быть получен углерод в структурно свободном состоянии в виде графита, являющегося продуктом распада цементита по реакции Fe3C = 3Fe + С. Превращения, протекающие с выделением графита, обозначают на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов штриховыми линиями (см. рис. 30). Диаграмма состояния Fe — С является равновесной (стабильной); по ней получаются серые чугуны, структурным признаком которых является наличие графита, выделяющегося на ферритной основе.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.

Микроструктура стали и чугунов в равновесном состоянии(структурные составляющие и конечный фазовый состав)

Внутренняя структура и состав металлов неоднородны, так как обычно они состоят из многочисленных зёрен в виде прилегающих друг к другу кристаллитов. Чаще всего эти неоднородности имеют микроскопические размеры, поэтому соответствующие разновидности внутренней структуры называются микроструктурами. Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода.

По количеству углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали – стали, содержащие от 0,02 до 0,80% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита уменьшается.

Эвтектоидная сталь – сталь с содержанием углерода 0,8%, состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: dВ = 900 МПа; s0,2 = 600 МПа; d = 15%; y = 30%; KCU = 20 Дж/ см2; НВ = 200.Заэвтектоидные стали содержат 0,80 – 2,14% С. Структура – перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита. Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют для различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Чугуны отличаются от стали: по составу – более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (не поддаются ковке). Чугун дешевле стали. В зависимости от состояния углерода различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (цементита);

серые чугуны, в которых углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от формы частиц графита различают:

обыкновенный серый чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого (червеобразного) графита;

высокопрочный чугун, в котором углерод находится в форме шаровидного графита;

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна, в котором углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Микростуркутура:В зависимости от содержания углерода белые чугуны разделяют на три группы:

доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;

эвтектические – с содержанием углерода 4,3%;

заэвтектические – с содержанием углерода от 4,3 до 6,67%

В структуре обыкновенного серого чугуна содержится графит пластинчатой (червеобразной) формы, количество и размеры которых изменяются в широких пределах.По строению металлической основы чугуны разделяют:на серый перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включением графита. Микроструктуры серого чугуна: а – серый перлитный чугун; б – серый ферритно-перлитный чугун; в – серый ферритный чугун.