Диаграмма состояния «железо–цементит».

При сплавлении железа с углеродом (С) образуется карбид железа Fe₃C, называемый цементитом [1], он содержит 6,67 % С.

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до» 4 % С, поэтому их структуру изучают с помощью диаграммы состояния «железо–цементит» (Fe–Ц), т.е. компонентами данной системы являются Fe и Fe₃C (рис)

На этом рисунке обозначены фазы во всех областях диаграммы, а под рисунком указаны структуры сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах.

 

Рис.1. Диаграмма состояния «Железо-цементит»: внизу под диаграммой – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

На диаграммах состояния верхняя система линий (в данном случае ABCD) называется линией ликвидус (лат. – жидкий), выше нее любой сплав находится в жидком состоянии. На рис.1. Ж – жидкая фаза (расплав) - жидкий раствор С в Fe.

Система линий диаграммы непосредственно под ликвидусом (в данном случае AHJECF) называется линией солидус (лат. – твердый), ниже нее любой сплав – в твердом состоянии.

В системе Fe-Fe₃C существуют три твердые (кристаллические) фазы: цементит – химическое соединение (на диаграмме его однофазная «область» - линия – DFKL) и твердые растворы С в Fe – аустенит (область GNJES) и феррит (0GPQ). Наличие двух твердых растворов является следствием полиморфизма железа – его способност. В интервале температур 0…911 ^оС, а также 1392…1539^оС это α–Fe (или Fe_α) с ОЦК решеткой[2], в интервале 911…1392 ^оС железо имеет ГЦК решетку – это γ–Fe (или Fe_γ).

Соответственно при сплавлении железа с углеродом образуются два твердых раствора внедрения С в Fe: феррит (Ф) – раствор С в α–Fe и аустенит (А) – раствор С в γ–Fe.

Из диаграммы Fe–Ц видно, что окончательная структура (при нормальных температурах) практически всех сплавов (правее т. Q, т.е. >0,01 %С) формируется из двух фаз: Ф и Ц.

Феррит – твердый раствор на основе α–Fe, содержащий < 0,02 %С, очень мягкая (твердость НВ £ 800) и пластичная  (относительное удлинение δ ³ 30 %)фаза.

Цементит – карбид железа, напротив, очень тверд (НВ»8000[3]) и  хрупок (δ» 0 %). Такие характеристики Ф и Ц обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания С.

До сих пор были обсуждены только однофазные области диаграммы Fe-Ц.

Свойства сплавов зависят не только от фазового состава, но и от конкретной структуры сплавов. Чтобы установить структуру сплава, нужно проследить, какие превращения происходят в нем при медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

Формирование равновесной структуры углеродистых сталей

В процессе кристаллизации

Из диаграммы Fe–Ц следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру (А).

Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит в них происходят превращения в твердом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как следует из диаграммы Fe–Ц, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 ^оС), т.к. ниже этой температуры какие – либо критические линии отсутствуют.

На примере стали, содержащей 0,8 %С (т. S), видно, что превращение, происходящее при Т £ 727 ^оС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита:

                                        _охл.

А _S ® Ф_р + Ц,                                                  (2.1)

где индексы S и Р показывают содержание С в аустените и феррите соответственно (в цементите оно не указывается, т.к. при любой температуре равно

6,67 %С).

Такое превращение, когда при постоянной температуре из одной твердой фазы образуются две другие (при фиксированных составах фаз) называется эвтектоидным.

В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение называется перлитным, поскольку в результате него образуется перлит - чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и цементита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин.

В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на

доэвтектоидные (0,02…0,8 %С), эвтектоидные (»0,8 %С), заэвтектоидные (0,8…2,14 %С).

Из приведенного выше обсуждения очевидно, что равновесная структура эвтектоидной стали – перлит

 

Рис. 2. Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б), эвтектоидной (в), заэтвектоидной (г) сталей

В доэвтектоидных сталях помимо перлита (П) в структуре содержатся кристаллы избыточного [4] феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и PS (рис. 2).

В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение вторичного цементита (Ц_II)[5] из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температуры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных сталей состоит из зерен перлита, разделенных сеткой кристаллов Ц_II (. рис. 2).

Таким образом, основной структурной составляющей углеродистых сталей в равновесном состоянии является перлит (Рис..2). Эвтектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали по две: доэвтектоидные П + Ф, заэвтектоидные П + Ц_II.

В сплавах, содержащих < 0,02 %С (левее т. Р, рис. 1), перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересекают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представленного на диаграмме Fе – Ц вертикалью ANG0). Структура технического Fе – феррит (хотя в сплавах, содержащих 0,01…0,02 %С присутствует небольшое количество третичного цементита – Ц_III).

Заметим, что несмотря на разнообразие структур[6], (обусловленное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe –Ц), фазовый состав сплавов, содержащих >0,01%С, одинаков – Ф + Ц.

 

Лекция 10