Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В технике наиболее широко применяют сплавы железа с углеродом - стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния железо - углерод име­ет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо - цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превращения в системе железо - графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe-С приведены на рис. 2.1.

Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух аллотропи­ческих формах: Fe_α и Fe_β.

Рис. 2.1. Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_α называется ферритом (Ф). Растворимость углерода в Fe_α невелика и составляет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (σ_в = 250 МПа), но высокую пластичность (δ ≈ 50 %).

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ называется аустенитом (А). Растворимость углерода в Fe_γ значительно больше, чем в Fe_α, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоугле­родистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160...200 НВ.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластич­ность (δ ≈ 1 %). Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продуктом распада ау­стенита при 727 °С (200...250 НВ; δ = 10...20 %; σ_в = 600...650 МПа):

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называет­ся ледебуритом (Л). Ледебурит образуется при кристаллизации рас­плава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C представлена на рис. 2.2. Линия ACD - ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF- солидус. Ниже этой линии все сплавы на­ходятся в твердом состоянии. Область существования феррита огра­ничена площадью 0QPG, аустенита - GSEA. На линии DFKL образует­ся цементит, на ECF - ледебурит, на PSK - перлит.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C очень сложная. Поэтому для под­робного ознакомления с ней и с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на характерные участки, исходя из процентного содержания углерода:

0...0,8 % - сплав I; 0,8...2,14 % - сплав II; 2,14...4,3 % - сплав III; 4,3...6,67 % - сплав IV.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0...0,02 % углерода, на­зываются техническим железом, 0,02...2,14 % -сталями, 2,14...6,67 % углерода - чугунами.

Рис 2.2. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

2.2. Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃C с концентрацией углерода 0...2,14 %

Данный участок диаграммы представлен на рис. 2.3, а, а кривые охла­ждения сплавов I и II - на рис. 2.3, б. Сплав I выше точки 1_I находится в жидком состоянии. В точке 1_I из жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться в этом, проведем горизонталь­ную линию через точку а, лежащую ниже точки 1_I, до пересечения с линиями АЕ и АС' и обозначим соответственно точки а¹ и а² . В точ­ке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пе­ресекается с линией АС' в точке а²) и кристаллы аустенита (с линией АЕ в точке а¹).

Рыс. 2.3. Часть диаграммы состоянии Fe-Fe3C для сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет меняться по линии а²-С', а состав аустенита - по линии a¹-2_I. В точке 2_I процесс кристаллизации аустенита заканчивается. От точки 2_I до точки 3_I не происходит никаких превращений, идет процесс охла­ждения аустенита. В точке 2_I и ниже начинает протекать полиморф­ное превращение. Происходит перестройка кристаллической решет­ки железа: Feγ → Feα. В результате из аустенита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3_I горизонтальная линия.

По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита - по линии GP. К моменту достижения темпера­туры 727 °С аустенит содержит 0,8% углерода (точка S) и начинает рас­падаться на механическую смесь, называемую перлитом (рис. 2.3, в). Такое превращение называется эвтектоидным, а линия PSK-линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоидных сплавов, за точкой S - заэвтектоидных. Состав эвтектоидного сплава соответствует проекции точки S на ось концентрации. Ниже точки 4_I в равновесии находятся феррит, пере­шедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде ау­стенита.

В сплаве II (см. рис. 2.3, а) от точки 1_II до точки 3_II протекают пре­вращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки 1_I до точки 3_I. Ниже точки 3_II из перенасыщенного углеродом аустенита выделя­ется цементит, получивший название вторичного (Ц_II), так как он обра­зуется из твердой фазы. Состав аустенита меняется по мере снижения температуры по линии 3_IIS, являющейся частью линии ES, которая отражает растворимость углерода в аустените. С понижением темпе­ратуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения тем­пературы 727 °С содержание углерода в аустените составляет 0,8 % и он распадается на механическую смесь - перлит. Ниже точки 3_II в равновесии находится смесь А + Ц_II, а ниже точки 4_II - П + Ц_II, при­чем перлит образовался в результате распада аустенита в точке 4_II.

2.3. Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃C с концентрацией углерода 2,14...6,67 %

В сплаве III (рис. 2.4, а, б) между точками 1_III и 2_III из расплава выделя­ются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 °С при содержании углерода 4,3 % (точка C) жидкость распадается на механическую смесь аустенита и цементита - аустенитный ледебурит (рис. 2.4, в).

Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2_III - 2_III' на кривой охлаждения сплава III), называется эвтек­тическим, линия ECF - линией эвтектического превращения, а сама механическая смесь - эвтектической. Сплавы, лежащие левее точ­ки С, называются доэвтектическими, правее - заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Рис. 2.4. Часть диаграммы состояния Fe-Fe₃C для белых чугунов (а), структурообразование типовых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и структурообразование сплава с содержанием углерода 3 % при температуре точки 2 (в)

Между точками 2_III и 3_III из аустенита выделяется вторичный це­ментит (линия ES, рис. 2.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + Л + Ц_II = А + (А + Ц) + Ц_II. При температуре 727 °С (участок 3_III - 3_III' охлаждения сплава III) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки 3_III в равновесии находятся фазы П + Л + Ц_II.

При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1_IV из жидкости выделяются кристаллы це­ментита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ни­же точки 1_IV. Состав жидкой фазы изменяется по линии DC. При дос­тижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распада­ется на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке 2_IV - 2_IV' (кривая охлаждения сплава IV). Даль­нейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III.

Сплавы железа с углеродом после окончания всех превращений при температурах ниже 727 °С имеют различную структуру. Их услов­ное изображение и микроструктуры показаны на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Графическое изображение структур (а) и микроструктуры углеродистых сплавов (б): 1 - 0,005 % С, Ф; 2 - 0,15 % С, Ф + П; 3 - 0,35 % С, Ф + П; 4 - 0,8 % С, зер­нистый перлит; 5 - 0,8 % С пластинчатый перлит; 6 - 1,2 % С, П + Ц; 7 - 3 % С, П + Л; 8 - 4,3 % С, Л; 9 - 5 % С, Ц_I + Л

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Железоуглеро­дистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C. Согласно этой клас­сификации, различают стали доэвтектоидные (0,02...0,8 % С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура - перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (8...2,14 % С, структура - П + Ц_II). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14...4,3 % С, структура П + Ц_II + Л); эвтектические (4,3 % С, струк­тура - Л) и заэвтектические (4,3...6,67 % С, структура – Ц_I + Л).

Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграм­ма состояния железо - цементит позволяет проследить за превраще­ниями, происходящими при его нагреве и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяс­нить температурные интервалы фазовых превращений, а также уста­новить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

В соответствии с этой диаграммой назначают режимы термической обработки сталей и горячей обработки металлов давлением. Из нее также получают другие необходимые для производства сведения.