Диаграмма состояния железо-цементит: линии ликвидус и солидус, фазовые превращения и структуры сталей и чугунов

Линия ликвидус системы железо-цементит обозначается ABCD и определяет температуру начала кристаллизации сплавов. На участке AB происходит начало кристаллизации феррита (Ф) , представляющего собой твердый раствор углерода в α-железе. Участок ВС соответствует началу кристаллизации аустенита (А) — твердого раствора углерода в γ-железе. На участке CD начинается кристаллизация первичного цементита (ЦI) , который является химическим соединением Fe₃C и обладает высокой твердостью.

Линия солидус, обозначаемая AHJECF, показывает температуру окончания кристаллизации или начала плавления сплавов. На участке АН завершается кристаллизация феррита. При температуре 1499°C на линии HJB происходит перитектическое превращение, в ходе которого жидкая фаза взаимодействует с ранее выделившимися кристаллами феррита, что приводит к образованию аустенита. Данное превращение имеет важное значение для формирования структуры высокотемпературных фаз.

На участке JE заканчивается кристаллизация аустенита, после чего сплав приобретает однофазную аустенитную структуру. При постоянной температуре 1147°C на линии ECF реализуется эвтектическое превращение, при котором жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, одновременно кристаллизуется в механическую смесь аустенита и цементита первичного. Образующаяся эвтектическая смесь называется ледебуритом (Л) в честь немецкого ученого Ледебура и содержит строго фиксированное количество углерода — 4,3 %.

При охлаждении ниже температуры 727°C структура ледебурита претерпевает изменения: в его состав входят цементит первичный и перлит (П) . Такую структурную составляющую называют превращенным ледебуритом (ЛП) . По линии HN начинается, а по линии NJ завершается превращение феррита в аустенит, что обусловлено полиморфным превращением железа при изменении температуры. Линия GS фиксирует начало, а линия PG — окончание обратного превращения аустенита в феррит.

Выделение вторичного цементита (ЦII) из аустенита происходит по линии ES, что связано со снижением предельной растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Линия MO при постоянной температуре 768°C соответствует магнитным превращениям (точка Кюри), при которых феррит теряет свои магнитные свойства. На линии PSK при температуре 727°C протекает эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит с содержанием 0,8 % углерода распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного, называемую перлитом.

Эвтектоидное превращение по механизму схоже с эвтектическим, но протекает в твердом состоянии.

Перлит содержит 0,8 % углерода и получил свое название благодаря характерному перламутровому блеску, наблюдаемому на полированном и протравленном шлифе под микроскопом. В зависимости от условий образования перлит может существовать в пластинчатой или зернистой форме, что существенно влияет на механические свойства стали. По линии PQ происходит выделение третичного цементита (ЦIII) из феррита, что также обусловлено снижением растворимости углерода в α-железе при понижении температуры.

Критические точки системы железо-цементит, соответствующие температурам фазовых и структурных превращений, имеют условные обозначения буквой А (от французского arret — остановка). К ним относятся: А₁ (линия PSK, 727°C) — превращение перлита в аустенит; А₂ (линия MO, 768°C, точка Кюри) — магнитные превращения; А₃ (линия GOS, переменная температура) — превращение феррита в аустенит; А₄ (линия NJ, переменная температура) — превращение одной модификации железа в другую; Acm (линия SE, переменная температура) — начало выделения вторичного цементита. Поскольку превращения при нагреве и охлаждении происходят при разных температурах (явление гистерезиса), для их различия вводятся дополнительные обозначения: при нагреве добавляют букву c (Ac₁, Ac₃), при охлаждении — букву r (Ar₁, Ar₃).

Структуры железоуглеродистых сплавов: техническое железо, стали и белые чугуны. Все сплавы системы железо-цементит по структурному признаку подразделяются на две основные группы: стали и чугуны. Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (до точки Р), которые называют техническим железом. Микроструктура таких сплавов после окончательной кристаллизации состоит либо из зерен феррита при содержании углерода менее 0,006 % (Рис. 9.2 а), либо из зерен феррита с включениями третичного цементита, располагающимися по границам зерен, при содержании углерода от 0,006 до 0,02 % (Рис. 9.2 б).

Рис. 9.2. Микроструктуры технического железа: а – содержание углерода менее 0,006%; б – содержание углерода 0,006…0,02 %

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, которые завершают кристаллизацию образованием аустенита. Стали обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии, что позволяет подвергать их различным видам обработки давлением. Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита при охлаждении и представлена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь (феррит + перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + цементит вторичный)

По содержанию углерода и структуре стали подразделяются на доэвтектоидные с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 %, структура которых состоит из феррита и перлита (Ф + П) (рис. 9.3 а); эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода и имеющие структуру перлита (П) , который может быть пластинчатым или зернистым (рис. 9.3 б, в); заэвтектоидные с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %, структура которых представлена перлитом и вторичным цементитом (П + ЦII) , причем цементит часто образует сетку вокруг зерен перлита (рис. 9.3 г). По микроструктуре сплавов можно приблизительно оценить содержание углерода, учитывая, что в перлите его содержится 0,8 %, в цементите — 6,67 %, а растворимостью углерода в феррите пренебрегают ввиду ее малости.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода (до 6,67 %), которые завершают кристаллизацию образованием эвтектики — ледебурита. Наличие в структуре чугунов легкоплавкого ледебурита повышает их литейные свойства, обеспечивая хорошую жидкотекучесть. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо-цементит, отличаются высокой хрупкостью и характерным серебристо-белым цветом излома, поэтому они называются белыми чугунами. Микроструктуры белых чугунов представлены на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун (перлит + ледебурит + цементит вторичный); б – эвтектический белый чугун (ледебурит); в – заэвтектический белый чугун (ледебурит + цементит первичный)

По содержанию углерода и структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3 % углерода, структура которых состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита (П + Л + ЦII) ; эвтектические с 4,3 % углерода, имеющие структуру ледебурита (Л) (рис. 9.4 б); заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67 % углерода, структура которых представлена ледебуритом и первичным цементитом (Л + ЦI) (рис. 9.4 в). В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, образующийся при охлаждении аустенита, однако он, как правило, сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита, и микроскопически не различим.

При нормальных температурах фазовый состав сталей и белых чугунов одинаков: они состоят из феррита и цементита. Однако, несмотря на идентичный фазовый состав, механические и технологические свойства сталей и белых чугунов существенно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим комплекс свойств сплавов системы железо-цементит, является не столько фазовый, сколько структурный состав, формирующийся в результате фазовых превращений при кристаллизации и последующем охлаждении.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.