Краткие теоретические сведения. Компонентами системы железо-углерод (рис

Компонентами системы железо-углерод (рис. 7.1) являются железо (Fе) и углерод (С). Железо и углерод образуют следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит и смесь фаз: перлит и ледебурит. Углерод при определенных условиях может выделяться в виде отдельной фазы: графит. Сплав железа с массовой долей углерода до 2,14 % (рис. 7.1) называют сталью.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fе (железо имеет ГЦК решетку). Растворимость углерода в ГЦК решетке железа зависит от темпера­туры и составляет при 727 °С – 0,8 %, а при 1147 °С – 2,14 %. Аустенит имеет низкую твердость, которая зависит от температуры и содержания углерода, и высокую пластичность (δ = 50 %).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-Fе (же­лезо имеет ОЦК решетку). Феррит имеет низкую твердость (НВ 80...90) и высокую пластич­ность (δ = 50 %). При просмотре в микроскоп ферритные зерна выгля­дят светлыми, разделенными темной сеткой границ зерен (рис. 7.2 а).

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный a-феррит и высокотемпературный d-феррит. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном a-феррите равна 0,02 % при 727 °С (точка Р на диаграмме Fe-C) (рис. 7.1). При понижении температуры растворимость углерода в феррите уменьшается и при 20 °С равна 0,006 % (точка Q). Максимальная растворимость углерода в высокотемпературном d-феррите равна 0,004 % при 1492 °С (точка Н).

Цементит (Ц) – химическое соединение углерода с железом Fе₃С (карбид железа). Концентрация углерода в цементите всегда посто­янна и составляет 6,67 %. Цементит обладает высокой твердостью (НВ 809) и низкой пластичностью. Он плохо травится в химических реактивах и при просмотре в микроскоп наблюдается в виде светлых включений. Цементит является метастабильной фазой, т. е. при нагревании до высокой температуры он становиться нестабильным и распадается на стабильные фазы аустенит и графит.

На диаграмме Fе-С (рис. 7.1) различают три вида цементита:

Первичный цементит (Ц_I) – кристаллизуется из жидкости (в чугунах) при температу­ре, соответствующей линии СD. Под микроскопом наблюдается в ви­де светлых пластин.

Вторичный цементит (Ц_II) – образуется при выделении углерода из аустенита при понижении температуры от 1147 до 727 °С (линия ЕS). Под микроскопом в сталях с содержанием более 0,8 % С цементит вто­ричный наблюдается в виде сетки по границам зерен.

Третичный цементит (Ц_III) – образуется при выделении углерода из фер­рита при температурах ниже 727 °С. Наблюдается в сплавах с содержанием углерода 0,006…0,02 % в виде отдельных островков по границам зерен феррита.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цемен­тита, получающаяся в результате распада аустенита, содержащего 0,8 % С. Фер­рит и цементит располагаются в виде чередующихся пластинок. Твердость перлита составляет НВ 210, пластичность δ = 15 %. Травле­ный перлит под микроскопом выглядит более темным по сравнению с ферритом. При больших увеличениях можно наблюдать перлит в виде че­редующихся темных (цементит) и светлых (феррит) пластинок (рис. 7.2 г).

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии характеризуется нижней левой частью диаг­раммы состояния Fе-С (рис. 7.1). Сплавы с содержанием до 0,02 % С называются техническим же­лезом, от 0,02 до 0,8 % С – доэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью; с содержанием от 0,8 до 2,14 % С – заэвтектоидными сталями.

Микроструктура технического железа. Растворимость углерода в α-Fе зависит от температуры и изменяется согласно линии PQ (рис. 8.1). С понижением температуры растворимость углерода уменьшается от 0,02 % С (при 727 °С ) до 0,006 % С (при 20 °С). Сплавы железа с со­держанием углерода менее 0,006 % имеют структуру феррита (рис. 7.2 а).

а) х500	б) х300
в) х200	г) х2000
	Рисунок 7.2 – Микроструктура Fe-С сплавов: а, б – техническое железо (Ф (а) и Ф+ЦIII (б)), в – доэвтектоидная сталь (Ф+П), г – эвтектоидная сталь (П), д – заэвтектоидная сталь (П+ ЦII)
д) х500

В сплавах с содержанием от 0,006 % С до 0,02 % С, в связи с понижением растворимости углерода в α-Fe, при понижении температуры из ферри­та по границам зерен феррита выделяется третичный цементит (Ц_III) (рис. 7.2 б).

Микроструктура доэвтектоидной стали (от 0,02 до 0.8 % С) состоит из феррита и перлита. После травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (рис. 7.2 в). Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода коли­чество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается (см. атлас микроструктур).

Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 % С) состоит из перлита (рис. 7.2 г). В зависимости от скорости охлаждения плас­тины цементита в перлите могут быть длиннее или короче, толще или тоньше (см. атлас микроструктур).

Микроструктура заэвтектоидной стали (от 0,8 до 2,14 % С) состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 7.2 д). Вторичный цементит (Ц_II) выделяется из аустенита при охлаждении от температуры Асm (линия SЕ) до температуры Аc₁ (линия РSК) (рис. 7.1). При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в ви­де сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аc₁ аустенит превращается в перлит. Образуется структура, состоящая из зерен пластинчатого перлита и вторич­ного цементита в виде сетки по границам перлитных зерен. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка (см. атлас микроструктур).

Рассмотрим процессы формирования равновесных структур сталей на примере сплавов 1-5 (рис 7.3). В результате первичной кристаллизации стали, независимо от содержания углерода, формируется однородная структура аустенит. При дальнейшем охлаждении сплавов (ниже линий GS и SЕ) (рис. 8.3) происходят процессы перекристаллизации.

Рисунок 7.3 – Часть диаграммы состояния сплавов Fе-С, описывающая перекристаллизацию стали

Сплавы 1 и 2. Ниже линии GS начинается процесс полиморфного превращения аустенита в феррит. В процессе по­лиморфного превращения содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, а в феррите – по линии GР. При температурах, соответствующих линии GP, полиморфное превращение заканчивается, и структура сплавов 1 и 2 состоит из зерен феррита. При дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной температуры в сплаве 1 никаких структурных превращений не происходит. В сплаве 2 при температурах ниже линии РQ, вследствие пересыщения феррита углеродом, на поверх­ности зерен феррита образуется третичный цементит. Объемная доля третичного цементита вычисляется по формуле:

%.

Структура сплава 1 изображена на рис. 7.2 а, сплава 2 – на рис. 7.2 б.

Сплав 3. Сплав 3 представляет собой пример доэвтектоидной стали. Ниже линии GS начинается полиморфное превращение аустенита в феррит. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, то есть при температуре сплава t содержание углерода в феррите и в аустените определяется соответственно точками m и n, а объемная доля феррита и аустенита вычисляется по формулам:

%, %.

При охлаждении до температуры 727 °С (линия РSК) объемная доля выделившегося феррита состава точки Р определяется по формуле:

%,

а объемная доля оставшегося аустенита по формуле:

%.

Аустенит имеет эвтектоидный состав, соответствующий точке S. Поэтому при температуре 727 °С аустенит превращается в перлит. Если пренебречь количеством углерода, содержащемся в феррите, ввиду его малости по сравнению с содержанием в перлите, то содержание углерода в доэвтектоидной стали приближенно можно определить по формуле:

,

где П, % – площадь, занимаемая перлитом в структуре стали.

Например, 30 % площади шлифа занято ферритом, 70 % перлитом. Тогда содержание углерода в стали будет равно 0,56 %. Пример структуры доэвтектоидной стали изображен на рис. 7.2 в.

Сплав 4 является примером эвтектоидной стали. Из диаграммы Fе-С (рис. 7.3) видно, что при температурах выше точки S сплав состоит из аустенита, а ниже точки S из феррита состава точки Р и цементита состава точки К. Это значит, что при температуре 727 °С (точка S) происходит распад аустенита по реакции А_S ® Ф_P + Ц_K. Образующаяся смесь феррита и цементита, как уже отмечалось, называется перлитом, а превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным или перлитным превращением. После окончания перлитного превращения сплав будет охлаждаться далее; содержание углерода в пластинках феррита будет уменьшаться согласно линии РQ. При температуре 20 °С перлит будет состоять из пластинок феррита с содержанием углерода 0,006 % (точка Q) и пластинок цементита с содержанием углерода 6,67 % (точка L). Зерна перлита под микроскопом при небольших увеличениях имеют темный цвет. Структура перлита изображена на рис. 7.2 г.

Сплав 5 – это пример заэвтектоидной стали. Ниже температуры t₁ предельная растворимость углерода в аустените уменьшается согласно линии SE; лишний угле­род из внутренних областей зерен аустенита диффундирует на поверхность зерен и образует по границам зерен аустенита сетку цементита вторичного. Когда сплав охладится до температуры эвтектоидного превращения (ли­ния РSК), зерна аустенита будут иметь эвтектоидный состав точки S и превратятся в перлит. Количество выделившегося вторичного цементита определяется по формуле:

%.

Очевидно, что с увеличением содержания углерода в сплаве возрастает количество образовавшегося вторичного цементита. Структура заэвтектоидной стали изображена на рис. 7.2 д.