Диаграммы состояния железо- углерод

На рис.2.1 изображена, имеющая практическое значение, часть неравновесной диаграммы состояния системы Fe-Цементит до концентрации 6,67%С, что соответствует составу соединения . Равновесная диаграмма состояния системы строится в координатах Fe-графит.

Точки фазовых и структурных превращений в сплавах Fe-C принято обозначать определенными символами, эти символы учитывают несовпадение их при нагреве (индекс с) и охлаждении (r). Так, для Fe четыре характерных точки: А ( )- Т ; .

Область первичной кристаллизации на диаграмме находится между линиями L-ca АСD и S-ca AECF; AC-температура начала кристаллизации аустенита из жидкости, CD- первичного цементита (Ц ). Другие линии соответствуют: в высокотемпературной области HJB перитектическое превращение: ; ЕСF- кристаллизация эвтектики (ледебурита) по ; PSK- эвтектоидному превращению: . Точки соответствуют: А- Т Fe; D- Т ; N и G- температуры аллотропных превращений Fe; Н (0,1%С), Р (0,02%С) и Е (2,14%С)- максимальному содержанию С в высоко- и низкотемпературных ферритах и аустените.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С, называются техническим Fe; от 0,02 до 2,14% С – сталями; > 2,14% – чугунами. Соответственно при 0,02-0,8%С - доэвтектоидные; 0,8%С - эвтектоидные и 0,8-2,14%С - заэвтектоидные стали. Чугуны: 2,14-4,3%С - доэвтектические; 4,3% - эвтектические; >4,3% - заэвтектические.

Рис.2.1. Диаграмма состояния железо-углерод

Разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью С в аустените. Стали не содержат хрупкого ледебурита, а пластичный перлит. Поэтому они легко деформируются, т.е. являются ковкими. Чугуны же обладают лучшими литейными свойствами (низкая Т и усадка), что объясняется присутствием легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

В верхней части диаграммы состояния (до 0,51%С), где происходит перитектическое превращение, все сплавы в конечном итоге образуют аустенит. Первичные кристаллы аустенита и -феррита имеют вид дендритов, величина и строение которых определяется состоянием сплава и условиями его кристаллизации.

При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит в виде пластин цементита, проросших разветвленными кристаллами аустенита. При быстром охлаждении образуется пластинчатый ледебурит: тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом.

Фазовые и структурные превращения в сплавах Fe-C после затвердевания связаны с полиморфизмом Fe, изменением растворимости С в аустените и феррите с понижением температуры, эвтектоидным и магнитным (768^ОС) превращением. Так, при <0,8%С полиморфное превращение сопровождается перераспределением С между ферритом и аустенитом. При этом в техническом Fe ( %С) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут поглощая Аустенит. Ниже PQ существует только феррит, из которого на линии PQ выделяется по границам зерен третичный цементит (Ц ), резко снижающий пластичность сплава.

Линия максимальной растворимости С в аустените SE соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита (Ц ). По достижении температуры 727 С содержание С в аустените достигает эвтектоидной концентрации 0,8% и аустенит распадается на феррит и цементит, образующих перлит. Чем больше концентрация С, тем меньше в структуре избыточного феррита и больше перлита и при 0,8%С весь аустенит превращается в перлит (эвтектоидная сталь). Перлит обычно состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита с соотношением толщин 7,3: 1 (как SK:PS). Специальная обработка дает зернистое строение перлита со сфероидами цементита.

После охлаждения ниже 727 С заэвтектоидные стали (>0.8%С) состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл. Это увеличивает хрупкость стали и, если это необходимо, с помощью термообработки добиваются сфероидной формы Цементита.

В доэвтектических чугунах (2,14-4,3%С) при 727 С аустенит обедненный С до 0,8% превращается в перлит, т.е. после окончательного охлаждения они имеют структуру: перлит + ледебурит (перлит + цементит) + цементит .Чем больше содержание С, тем больше ледебурита и меньше перлита. Эвтектический чугун состоит из ледебурита, а заэвтектический при Т>727 С из Ц , имеющего форму пластин и аустенита, причем количество Ц растет с концентрацией С. Т.о. сплавы Fe-C могут состоять из различных структурных составляющих (относительное содержание их определяется по диаграмме, изображенной на рис.2.2б) однако фазовый состав всегда при Т<727 С одинаков: феррит + цементит (рис.2.2а).

Равновесная диаграмма Fe – графит получается в результате распада цементита. Графит формируется только при очень малых степенях переохлаждения. Присутствие зародышей кристаллизации (Графит, и другие) облегчает этот процесс. Основная масса Графита в серых чугунах образуется при кристаллизации из жидкости, а образующийся при распаде аустенита, наслаивается на зерна первичного Графита. Процесс графитизации происходит при высоких температурах в чугунах цементитной структуры по реакции Ц Ф+Г.

Рис.2.2. Диаграммы для определения фазового (а) и структурного (б) состава сталей и чугунов