Лекция 6 - 7. Диаграмма состояния железо- цементит

Для железоуглеродистых сплавов могут быть построены две диаграммы состояния: железо —цементит (карбид железа — химическое соединение железа с углеродом) Fe—Fе_зС и железо — графит Fe—С. Диаграмма состояния Fe—Fе_зС характеризует фазовый состав и превращения в сплавах от чистого железа до цементита (рис. 1.40).

По вертикальной оси диаграммы откладывается температура, по горизонтальной оси—содержание (в %) углерода и цементита. Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа 1539 °С, точка D — температуре плавления цементита 1550 °С.

Линия ABCD — линия ликвидуса; она соответствует температурам начала затвердевания сплавов. Выше линии ликвидуса сплавы находятся только в жидком состоянии.

Линия AHJECF — линия солидуса; она соответствует концу за­твердевания сплава. В области между линиями ликвидуса и солидуса находится только смесь из жидкости и твердых кристаллов. Ниже линии солидуса сплав находится в твердом состоянии. Вследствие перехода железа из одной аллотропической формы в другую, в железоуглеродистых сплавах происходят превращения и в твердом состоянии.

Сплавы железа с углеродом разделяют на две группы: стали» содержащие до 2,14 % С, и чугуны, в которых более 2,14 % С.

 

Рис. 1.40. Диаграмма состояния железо-углеродистьых сплавов (сплошные линии – система Fe –Fe₃C, пунктирные линии система Fe –C)

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы системы железо — углерод могут иметь следующие структурные составляющие: феррит, перлит, аустенит, цементит, ледебурит и графит (рис. 1.41). При охлаждении сплавов, содержащих до ~0,7 % С, из жидкого сплава выделяется феррит. На линии HJB при 1499 °С происходит перитектическое превращение, при котором кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой и образуют кристаллы аустенита. Левее точки J образуется структура феррита и аустенита, правее — жидкий сплав и аустенит. Затвердевание сплавов, содержащих до 2,14 % углерода, заканчивается на линии AHJE. Ниже линии NJE сплавы представляют собой аустенит.

При охлаждении сплавов, содержащих от ~0,7 до 4,3 % С, по линии ВС выделяются кристаллы аустенита. В сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С, по линии CD начинают выделяться кристаллы первичного цементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава, его называют первичным. Линия GS представляет собой температуру (с 911°С до 727 °С) начала выделения феррита из аустенита. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02 % С. В зоне GPS сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S на линии PSK аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8 % углерода, имеют структуру феррита и перлита. При медленном охлаждении сплава, содержащего 0,8 % С, при температуре 727 ° С в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита образуется эвтектоид (перлит). Сталь, содержащую 0,8 % углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 % углерода — доэвтектоидной, более 0,8 % углерода — заэвтектоидной.

	Рис. 1.41. Основные микроструктуры стали и чугуна: а – феррит; б – доэвтектический чугун; в – доэвтектоидная сталь; г – заэв-тектический чугун; д - эвтектоидная сталь; е – серый чугун; ж – заэвтектоидная сталь; з – высокопрочный чугун с шаровидным графитом; и – ковкий чугун с хлопьевидным графитом

Правее линии SE находятся в равновесии две структурные со­ставляющие— аустенит и цементит (вторичный).

Линия ECF называется эвтектической, так как в любой точке этой линии происходит образование эвтектики.

Сплав (чугун), содержащий 4,3 % углерода, при температуре 1147 °С переходит в твердое кристаллическое состояние с образованием эвтектики (ледебурита — аустенита + цементита). Этот сплав называют эвтектическим.

Чугун, содержащий менее 4,3 % углерода, называют до эвтектическим, более 4,3 % углерода — заэвтектическим.

В зоне ниже линии ЕС сплав состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита, в зоне ниже линии CF — из первичного цементита и ледебурита.

Линия PSK соответствует температуре 727 °С, при которой завершаются процессы вторичной кристаллизации в сталях и чугунах. Все структурные составляющие, полученные при температурах линии РSK, сохраняются при комнатной температуре, и их можно наблюдать под микроскопом.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы, т. е. при нагревании сплава наблюдаются обратные явления. Для выбора температурного режима термической обработки сталей и чугунов наиболее важное значение имеют линии GS, ES, PSK, характеризующие процессы вторичной кристаллизации.

Рассмотрим «стальной» участок диаграммы. В качестве приме­ра рассмотрим наиболее характерные сплавы: доэвтектоидный I, эвтектоидный II и заэвтектоидный III (рис. 1.42). При нагреве от комнатной температуры до 727 °С в сплаве I фазовых превращений не происходит. При температуре 727 °С перлит превращается в аустенит (точка а). Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают A_{c 1}, а при охлаждении — A_{r 1}. Буквы с и r указывают, происходят ли превращения при нагреве или охлаждении стали, а цифра 1 означает критическую точку на линии PSK.

При дальнейшем нагреве в сплаве I зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке a ₁, лежащей на линии GS, которую называют верхней критической точкой, и обозначают при нагреве Ac₃, при охлаждении — A_{r 3}. При нагреве эвтектоидного сплава II перлит в точке S (линия PSK) при 727 °Спревращается в аустенит. Критические точки A_{c 1}и А_{с з} при этом совпадают. При нагреве сплава III в точке b при 727° С перлит превращается в аустенит (точка A_c1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b ₁, лежащей на линии SE, этот процесс заканчивается. Эту точку обозначают A_cm.

Таким образом, критические точки, образующие линию PSK, обозначаются A_c1 (при нагреве) и A_r1 (при охлаждении), линию GS — A_c3 (при нагреве) и А_rз (при охлаждении), линии SE—A_cm (при нагреве) и A_rm (при охлаждении).

 

Контрольные вопросы