Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

В технике наиболее широко применяют сплавы железа-с углеродом – стали и чугуны, поэтому диаграмма 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 Fe₃C);

· Стабильная, характеризующая превращения в системе железо–графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe – C приведены на рис. 2.1. (напоминаю, что железо может находится в двух полиморфных(аллотропических) формах: Fe_α и Fe_γ).

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

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода С в Fe_α. Феррит имеет малую растворимость С в Fe_α равную 0,01% при t=0⁰C и 0,02% при t=727⁰C, низкую твердость (80 НВ) и прочность (σ_в = 250 МПа), высокую пластичность (δ = 50%).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода С в Fe_γ. Аустенит имеет максимальную растворимость С в Fe_γ равную 2,14% при t=1147 ⁰C, существует только при высоких температурах (t > t=727⁰C), пластичен, имеет твердость (160…200 НВ.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67 % С, имеет высокую твердость (800 НВ), нопрактически нулевую пластичность (δ = 1%). Чем больше цементита в сплаве, тем большей твердостью и меньшей пластичностью он обладает.

Перлит (П)– эвтектоидная (т.е. выделившаяся из твердого состояния) смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8 % углерода С и является продуктом распада аустенита при t=727 ⁰C (200…250 НВ, δ = 10…20%, σ_в = 600…650 МПа): А_s → Ф_p + Ц.

Ледебурит (Л)– механическая смесь аустенита и цементита при t>727 ⁰C и перлита и цементита при t<727 ⁰C. Он образуется при кристаллизации расплава, содержащего 4,3 % углерода С при t=1147 ⁰C.

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C представлена на рис. 2.2.

Рис.2.2 Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

Линия ACD - ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF – солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Площадь 0QPG - область существования феррита. Площадь GSEA - область существования аустенита. На линии DFKL образуется цементит, на линии ECFобразуется ледебурит, на линии PSK – перлит.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0…0,02 % углерода – техническое железо, 0,02…2,14 % - стали, 2,14…6,67 % углерода – чугуны.

Так как диаграмма железо-углерод очень сложна разделим ее на характерные участки, которые рассмотрим отдельно.

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

Этот участок диаграммы представлен на рис. 2.3, а, а кривые охлаждения сплавов I и II – на рис. 2.3, б.

Рис.2.3 Часть диаграммы состояния 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)

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).

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет меняться по линии а² - С’, а состав аустенита – по линии а¹ – 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 3_I и ниже начинает протекать полиморфное превращение. Происходит перестройка кристаллической решетки железа: Fe_γ → Fe_α . 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 ⁰С аустенит содержит 0,8 % углерода (точка S) и начинает распадаться на механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (рис. 2.3, в). Такое превращение называется эвтектоидным (в отличии от эвтектического распад проходит не из жидкого, а из твердого состояния сплава), а линия PSK – линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоидных сплавов, за точкой S - заэвтектоидных. Состав эвтектоидного сплава (перлита) соответствует проекции точки S на ось концентрации (0,81% углерода). Ниже точки 4_I в равновесии находятся феррит, перешедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде аустенита.

В сплаве II (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 пересыщенного углеродом аустенита выделяется цементит Fe₃C, получивший название вторичного (Ц_II), т.к. он образуется из твердой фазы (!!!). Состав аустенита меняется по мере снижения температуры по линии 3_IIS, являющейся частью линии ЕS, которая отражает предельную растворимость углерода в аустените. С понижением температуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения температуры 727 ⁰С содержание углерода в аустените составляет 0,81 % 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 твердойфазы – это аустенит А, изменяющийся по линии АЕ (рис. 2.2), состав жидкойфазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 ⁰С при содержании углерода 4,3 % (точка С) жидкость распадается на механическую смесь аустенита и цементита – аустенитный ледебурит: Л=А + Ц (рис. 2.4, в),. Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2_III – 2’_III на кривой охлаждения сплава III, рис.2.4, б), называется эвтектическим, линия ЕСF – 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 Ц_II и 3_III из аустенита выделяется вторичный цементит Ц_II (линия ES, рис. 2.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + Л + Ц_II= A + (A +Ц) + Ц_II (т.к. Л=А + Ц). При температуре 727 ⁰С (участок 3_III – 3’_III охлаждения сплава III, рис. 2.4, б) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки 3_III в равновесии находятся фазы П + Л + Ц_II (Л = П + Ц). При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1_IV из жидкости L выделяются кристаллы цементита Ц_I (цементит первичный, т.к. он выделяется сразу из жидкой фазы), в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ниже точки 1_IV. Концентрация углерода (состав) жидкой фазы изменяется по линии DC, когда она в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус DC. При достижении 1147 ⁰С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распадается на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит Л = А + Ц). Это происходит на участке 2_IV – 2’_IV (кривая охлаждения сплава IV, рис. 2.4, б). Дальнейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III. Отличие в том, что в сплаве сохраняется первичный цементит Ц_I. То есть ниже 1147 ⁰С сплав состоит из аустенитного ледебурита (Л = А + Ц) и цементита Ц_I, причем в ледебурите Л содержание углерода в аустените А изменяется по линии ЕS (рис.2.2). А ниже 727 ⁰С сплав состоит из уже перлитного ледебурита (Л = П + Ц) и цементита Ц_I (рис.2.2).

Сплавы железа с углеродом после окончания после окончания всех превращений ниже 727 ⁰С имеют различную структуру. Их условные изображения показаны на рис. 2.5, микроструктуры показаны на рис. 2.6.

Рис.2.5 Графическое изображения структур.

Рис.2.6 Микроструктуры углеродистых сплавов.

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

На рис. 2.7 показана микроструктура стали в зависимости от содержания углерода при увеличении в 450 раз.

Рис.2.7 Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода, х 450: а – техническое железо, ; б-е – доэвтектоидные стали (б – 0,1 % С, в – 0,22 % С, г – 0,3 % С, д – 0,4 % С, е – 0,55 % С); ж – эвтектоидная сталь (0,8 % С); з-и – заэвтектоидные стали (з – 1,3 % С, и – 1,1 % С)

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, называют сталью, а более 2,14 % С – чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими температурами плавления, имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Железоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe₃C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные (0,02…0,8 % углерода С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура – перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (0,8…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 - П + Ц_II) 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.