Общие сведенья по железоуглеродистым сплавам

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами. Чугун – это многокомпонентный сплав железа с углеродом и другими элементами, характеризующийся эвтектическим превращением. Процессы, протекающие при кристаллизации, и образующиеся структурные составляющие можно проследить по двойной диаграмме равновесного состояния (рисунок 7).

Рисунок 7 – Двойная диаграмма железо-цементит (линии: сплошные система Ф–Г ; штриховые система А(Ф)–Ц)

По диаграмме состояния системы железо·цементит судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо–цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными – диаграмма состояния железо–графит (стабильная).

В системе железо-цементит (Fe–Fе₃С) имеются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также химическое соединение – цементит.

Аустенит (g-Fe) – твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности, твердость- 160-200 НВ.

Феррит - твердый раствор углерода a- железе.

Цементит Fе₃С – химическое соединение (карбид) железа содержащий 6,67% углерода. Температура плавления около 1250°С. Цементит является метастабильной фазой, при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит обладает высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его на растяжение очень мала (40 МПа).

Перлит (до 2,0%С) - смесь Ф+Ц и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого): σ = 800-900 МПа; δ < 16%; твердость 180-220 НВ.

Ледебурит является смесью двух фаз А + Ц, образующихся при 1130°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% С. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

На диаграмме состояния Fe – Fе₃С имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD – линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF – линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD – жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3% С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь – ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% С (чугуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE – вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS – нижних критических точек.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз – феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' – смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8% С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита – перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе₃С отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода.

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения – возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

– стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

– чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

– менее 0,83 – доэвтектоидные стали;

– 0,83 – эвтектоидные стали;

– 0,83–2,0 – заэвтектоидные стали;

– 2,0–4,3 – доэвтектические чугуны;

– 4,3–6,67 – заэвтектические чугуны.