Диаграмма состояния железо — углерод

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наи­более распространенными металлическими материалами. Для изу­чения железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии пользу­ются диаграммой, приведенной на рис.1.

Если основными компонентами диаграммы состояния явля­ются железо и цементит (химическое соединение Fe₃C), такую диа­грамму называют цементитной (метастабильной).

Железо имеет четыре аллотропические формы (полиморфные превращения):

• α-железо при Т < 768 °С — имеет кристаллическую решетку объемно центрированного куба (о. ц. к.), магнитно, плохо растворя­ет углерод, мягкое;

• β-железо при Т = 768...911 °С — имеет решетку о. ц. к., немаг­нитно, плохо растворяет углерод (a-железо немагнитное);

• γ-железо при Т = 911...1147 °С — имеет решетку гранецентрированного куба (г. ц. к.), немагнитно, хорошо растворяет углерод, вязкое;

• ∆-железо при Т = 1147...1539 °С — имеет решетку о. ц. к., немагнитно (a-железо высокотемпературное).

На приведенной диаграмме железо — углерод имеются линии: ACD — ликвидуса, соответствующая температуре начала кристал­лизация сплава из жидкого состояния;

AECF — солидуса, соответствующая температуре окончания кристаллизации сплава;

ECF — ледебуритного (эвтектического) превращения. При темпе­ратуре 1147 °С жидкость состава точки С распадается на две твер­дые фазы: аустенит состава точки Е и цементит состава точки F. При этой температуре существует нонвариантное равновесие (чис­ло степеней свободы равно нулю). В равновесии находятся три фазы: аустенит (A _e), цементит (Ц_f) и жидкость (Ж_с);

GS — изменения температуры превращения γ-железо в a-железо в зависимости от концентрации углерода;

GP — окончания выпадения феррита;

SE — изменения растворимости углерода в γ-железо в зависи­мости от температуры;

PSK — перлитного (эвтектоидного) превращения. При темпе­ратуре 727 °С аустенит в точке 5 распадается на две твердые фазы: феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этой температуре существует нонвариантное равновесие (число степеней свободы равно нулю). В равновесии находятся три фазы: фер­рит (Ф_р), аустенит (A _e) и цементит (Ц_к);

PQ — изменения растворимости углерода в α-железо в зависи­мости от температуры.

На диаграмме железо — углерод имеются точки: С — эвтектика, Е — максимальной растворимости углерода в γ-железо, S — эвтектоид, Р — максимальной растворимости углерода в α-железо.

При охлаждении доэвтектического сплава ниже линии АС выпадает аустенит, по линии ЕС образуется ледебурит, ниже ли­нии SE из аустенита выпадает цементит вторичный, ниже линии GS — феррит, по линии PSK образуется перлит, ниже линии PQ выпадает цементит третичный.

При охлаждении заэвтектического сплава ниже линии CD выпадает цементит первичный, по линии CF образуется ледебу­рит, по линии PSK — перлит.

Температуры, при которых происходят фазовые и структур­ные превращения в сплавах системы Fe — Fe₃C (т. е. критические точки), обозначают буквой А (начальная буква французского слова arret — остановка). Превращения совершаются в процессе нагрева И охлаждения при различных температурах (вследствие теплового гистерезиса), поэтому, для того чтобы отличать эти процессы, вве­ла дополнительные обозначения. Например, при нагреве к букве А добавляют букву с, т. е. Аc₁, Аc₂ и т. д.

Элементы Ni и Мn понижают Ас₃ повышают Ac₄ и, расширяя γ-область, способствуют образованию аустенитных сталей; Сr, Мо, V, Si повышают Ac₃ понижают Ас₄ и, расширяя α-область, способ­ствуют образованию ферритных сталей; Си и Аl — графитизирующие элементы, которые находятся в растворе и вытесняют угле­род; W, Nb, Zr, Ti – карбидообразующие элементы.

Равновесными фазами в системе железо — цементит являются:

• жидкость (Ж) - раствор углерода в жидком железе с неогра­ниченной растворимостью;

• аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. При температуре 1147 °С аустенит содержит 2,14 % С. При понижении температуры растворимость углерода в нем умень­шается и при 727 °С достигает 0,8 %. Аустенит имеет кристалли­ческую решетку г. ц. к., немагнитен, обладает высокой пластичностью (δ = 40-50 %), его твердость составляет 160-220 НВ. На диаграм­ме состояния аустенит занимает область NJESG.

• цементит (Ц) - карбид железа (Fe₃C) - имеет сложную орторомбическую решетку. Температура плавления цементита около 1600 °С, твердость 800 НВ; он обладает высокой хрупкостью и почти нулевой пластичностью. Ниже 210 °С цементит слабомаг­нитен, выше — немагнитен.

Различают три разновидности цементита:

- первичный — выделившийся из жидкого сплава;

- вторичный — выделившийся из аустенита;

- третичный — выделившийся из феррита. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадает­ся, выделяя свободный углерод в виде графита:

Fe₃C = 3Fe + С

• феррит (Ф) — твердый раствор углерода в a-железе. Макси­мальное содержание углерода в феррите при температуре 727 °С составляет 0,02 %, при комнатной температуре - 0,006 %. Феррит имеет решетку о. ц. к., ферромагнитен до температуры 768 °С, обладает незначительной твердостью 60-100 НВ и прочностью (σ_в=250 Н/мм), но высокой пластичностью (δ = 50 %). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ.

Кроме перечисленных равновесных фаз, в структуру железо­углеродистых сплавов входят графит, перлит и ледебурит.

Графит (Г) - это свободный углерод, мягкий (3 НВ), обладает низкой прочностью, в чугунах и графитизированной стали содержится в виде включении различной формы (пластинчатой, шаро­видной, хлопьевидной). С изменением формы графитовых включе­ний меняются механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — эвтектоид, т. е. механическая смесь феррита и цементита, образующаяся при температуре 727 °С в результате распада аустенита и содержащая 0,8 % углерода.

После травления шлифа из стали с 0,8 %-м содержанием угле­рода (эвтектоидной стали) его поверхность имеет перламутровый отлив (отсюда и название — перлит). Различают пластинчатый пер­лит, представляющий собой параллельное чередование пластинок цементита и феррита, и зернистый, когда округлые зернышки це­ментита равномерно распределены в поле феррита.

Твердость перлита составляет 160—250 НВ, его сопротивление разрыву — σ_в= 800 Н/мм², относительное удлинение или пластич­ность — δ = 15 %.

Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементита первичного (эвтектика), которая образуется при кристаллизации жидкого расплава при температуре 1147 °С и содержит 4,3 % уг­лерода. При понижении температуры состав ледебурита меняется, например при температуре 727 °С он состоит из перлита и цемен­тита первичного.

Ледебурит обладает высокой твердостью (600—700 НВ) и хруп­костью.

На диаграмме Fe—Fe₃C точка А (1539 °С) соответствует тем­пературе плавления чистого железа, точка D (1600 °С) — температу­ре плавления цементита.

Концентрация углерода в точке Р равна 0,02 %. Предельное cодержание углерода в аустените при эвтектоидной температуре 727 °С (точка S) составляет 0,8 %, при эвтектической температуре 1147 °С (точка С) содержание углерода в ледебурите - 4,3 %.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: