Диаграмма состояния железо – цементит

 

Диаграмму системы железо-углерод можно проанализировать только до образования в ней карбида железа - Fе₃С – концентрация углерода 6,67 %. Это связано с тем, что наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементита, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит (рис.7).

 

Рис. 7. Диаграмма железо-углерод

 

Кривая АВСD - линия ликвидус, которая на участке АВ соответствует температурам начала выпадения кристаллов феррита (a), а на участке ВС соответствует температурам начала выпадения кристаллов аустенита (g) из жидкого сплава (L). В области СD – она представляет геометрическое место точек, отвечающих температурам начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С_I) из жидкой фазы (L).

Линия АHJЕСFD - солидус, криволинейный участок АHJЕ которой, определяет окончание затвердевания жидкой фазы.

На горизонтальной линии HJВ происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования аустенита из жидкости и феррита.

L_B + a_H ® g_j

Горизонтальный участок ECF является геометрическим местом точек, соответствующих также концу кристаллизации аустенита (ЕС)и первичного цементита - Fe₃C_I (CF), и одновременно отвечает температурам изотермического превращения жидкого сплава состава точки С в двухфазную эвтектику – ледебурит.

L_C ® g_Е + Fe₃C_F.

Данная реакция наблюдается только у сплавов с содержанием углерода более 2,14 % масс.

На горизонтальной линии PSK происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования перлита из аустенита.

g_S ® a_{P +} Fe₃C_K

 

Линии NH и NJ отражают начало и конец полиморфного превращения аустенита и d-феррита, а линии GS и GP соответственно начало и конец полиморфного превращения аустенита и a-феррита.

Кривые DC, ES и PQ показывают на ограничение максимальной растворимости углерода в фазовых составляющих железоуглеродистых сплавов. Эти линии определяют максимальную растворимость углерода в той фазе, которая расположена на диаграмме левее данной кривой. Это значит, что DC характеризует предельную концентрацию углерода в жидкости; ES в аустените g; PQ в феррите a. При понижении температуры системы меньше точек растворимости углерода из фазы, находящейся слева от соответствующей им кривой, выделяется избыток углерода, образуя цементит первичный, вторичный и третичный соответственно.

Диаграмму состояния Fе - Fе₃С по оси абсцисс – концентрация углерода – делят на следующие участки:

0 - 0,02 % (точка Р)- технически чистое железо;

0,02 - 0,80 % (отрезок PS) - доэвтектоидные стали;

0,80 % (точка S) - эвтектоиднаясталь;

0,80 - 2,14 % - заэвтектоидные стали;

2,14 - 4,31 % (отрезок EC) - доэвтектические чугуны;

4,31 % (точка С) - эвтектический чугун;

4,31 - 6,67 % (отрезок CF) - заэвтектические чугуны.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %, называют сталями. Они после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.e. являются ковкими сплавами.

 

Кристаллизация и формирование структуры сплавов

 

Кристаллизация стали

Первичная кристаллизация стали в зависимости от содержания углерода происходит по-разному. При содержании углерода от 0 до 0,5% из жидкости начинает выделяться феррит, а при содержании углерода от 0,5% до 2,14% из жидкости первоначально выделяется аустенит. Диаграмма состояния и кривые охлаждения типовых сплавов представлены на рис.8.

 

 

Рис.8 Кривые охлаждения при кристаллизации:

а)- кристаллизация сталей; б)- кристаллизация чугунов.

 

Рассмотрим кристаллизацию сплава 1, относящегося к доэвтектоидной стали, с содержанием углерода менее 0,5% (Рис.8,а).

Кристаллизация этого сплава начинается в точке t₁ выделением из жидкости кристаллов феррита. При температуре 1499⁰С в сплаве происходит перитектическая реакция, при которой выделившийся ранее феррит взаимодействует с жидкостью, в результате образуется новая фаза – аустенит. В соответствии с правилом фаз эта реакция идет при постоянной температуре и поэтому на кривой охлаждения появляется температурная остановка. После исчезновения феррита происходит дальнейшая кристаллизация жидкости в аустенит. В т t₂ кристаллизация заканчивается и до т. t₃ происходит охлаждение аустенита. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В данном сплаве в интервале температур t₃–727°C идет полиморфное превращение А ® Ф. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р). Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % (левее т. Р) не испытывают эвтектоидного превращения.

Сплав 2 относится по составу к заэвтектоидной стали. Кристаллизация этого сплава начинается в точке t₅ выделением из жидкости кристаллов аустенита. В т t₇ кристаллизация заканчивается и до температуры t₈ (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t10 - 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 %С). Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении цементит, как правило, располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали. В реальной стали с 1,2%С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6 %.

Кристаллизация чугунов.

Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe3C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. изображена структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.

Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3%С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава 3 (рис.8,б). От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147°С, из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой фазы по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С. Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727°С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный. Он выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую. Ниже 727°С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% (сплав 4, рис.8,б) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t₁₃ несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным. Состав жидкой фазы меняется по линии СD, состав твердой остается без изменения. При температуре 1147°С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного, который присоединяется к эвтектическому. Температура 727°С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727°С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита.

Микроструктуры белых чугунов представлены на рис.9.

 

 

Рис. 9. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун;

б – эвтектический белый чугун; в – заэвтектический белый чугун.

 

Сталь – основной металлический конструкционный материал, широко применяемый для инженерных сооружений, изготовления оборудования, машин, приборов и инструментов. Ее обширное использование обусловлено удачным сочетанием ценного комплекса механических, физико-химических и технологических свойств. Кроме того, она сравнительно недорогая и может производиться в любом количестве.

Механические свойства углеродистой стали зависят от содержания в ней углерода. С увеличением количества углерода повышается концентрация цементита и уменьшается количество феррита. Это вызывает увеличение прочности, твердости и снижение пластичности сплава.

Чугун до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Такие сплавы имеют хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные.

Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления.