Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния Fе—С (рисунок 33) включает все сплавы (сталь,
чугун), имеющие практическое применение. Она является результатом
работ многих ученых и непрерывно уточняется вплоть до нашего времени. Практически максимальное содержание углерода в сплавах с железом равно 6,67%. Это значение соответствует содержанию углерода
в карбиде железа Fе₃С (химическое соединение, которое следует
рассматривать как самостоятельный компонент).

На диаграмме нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться в элементарном
виде (графит) и в виде химического соединения (цементит).

Таким образом, диаграмма состояния системы железо — углерод
может иметь два варианта: 1) система железо — цементит (метастабильная) и 2) система железо—графит (стабильная). Рассмотрим диаграмму состояния системы железо—цементит (сплошные линии).

Верхняя часть диаграммы железо—цементит. Точка А на диаграмме показывает температуру плавления чистого железа, а точка D' показывает температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации
расплава начинается по линии АВСD (линия ликвидуса). Выше линии ликвидуса (область I) сплав находится в жидком состоянии
и представляет собой однородную систему.

Рисунок 33. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

Линия АНJЕСF является линией солидуса. Сплавы, лежащие ниже
этой линии, находятся в твердом состоянии. При температурах между линиями ликвидуса и солидуса происходит кристаллизация сплавов.
В период кристаллизации одновременно существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы твердых растворов. Рассматривая линию
АВСD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода
в железе до 4,3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим повышением содержания углерода (участок СD) температура
плавления сплава увеличивается. На участке линии ликвидуса АВ
выделяются кристаллы δ—раствора, состав которых определяется линией АН. Состав жидкой фазы изменяется по линии АВ. Предельную
растворимость углерода (0,1%) в Fе_δ при температуре 1493 °С показывает точка Н. На линии HJВ при температуре 1493 °С жидкость,
содержащая 0,5% С (точка В), реагирует c ранее выпавшими кристаллами δ—раствора и образуют кристаллы нового вида. Реакцию подобного
типа называют перитектической. В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита, содержащего 0,18% С (точка J).

По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают
кристаллы аустенита переменного состава, в которых содержание углерода от 0,5 до 4,3% меньше, чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением температуры
происходит по линии ВС, а выпавших кристаллов — по линии JЕ (линия солидуса). Если сплавы содержат до 2,0% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147 °С. Кристаллизация
сплавов, содержащих 2—4,3%, заканчивается полностью по линии
ЕС при температуре 1147° С, где жидкая фаза обогащается углеродом
до 4,3%. Одновременно из расплава выпадают кристаллы аустенита,
содержащие 2% С (точка Е) и цементита, содержащего 6,67% С (точка F). Механическая смесь кристаллов цементита и аустенита образует
ледебурит (точка С).

Сплавы, лежащие правее точки С, т. е. содержащие от 4,3 до 6,67%
С, кристаллизуются по линии СD. В начале кристаллизации из расплава выделяется первичный цементит. По мере выпадения из жидкого
расплава первичного цементита содержание углерода в жидкой фазе
уменьшается. При температуре 1147 °С (линия СF) оставшийся расплав
содержит 4,3% С и затвердевает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии СF)
состоит из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, находящиеся влево от точки С (содержащие до 4,3% С),
называют доэвтектическими, а сплавы, находящиеся вправо от точки
С (содержащие более 4,3% С) — заэвтектическими. Между линиями
ликвидуса АВСD и солидуса АНJЕСF (области II и III) железоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твердой фаз, причем с понижением температуры количество твердой фазы увеличивается.

Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания
структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита и ледебурита, структура эвтектического сплава из ледебурита и структура
заэвтектических сплавов из первичного цементита и ледебурита.

Нижняя часть диаграммы системы железо—цементит. Ниже линии
солидуса АНJЕСF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдаются дальнейшие изменения их структуры, связанные
с перекристаллизацией в твердом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением температуры железо переходит из одной модификации в другую (Fе_ɣ——>Fе_ɑ) и растворимость углерода в Fе_ɣ и Fе_ɑ заметно уменьшается.

Доэвтектические сплавы (до 2% С) в области IV состоят из одного
аустенита. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8% С (левее
точки S), ниже линии GOS происходит распад аустенита с выделением
из него избыточного феррита. Так как феррит, выделяющийся при охлаждении аустенита по линии GOS, содержит не более 0,025% С (предельная растворимость углерода в Fе_ɑ, точка Р), ауcтенит несколько обогащается углеродом, изменяя состав по линии SE. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии GOS. Такой процесс
протекает до температуры 727 °С. В этой точке при 0,8% С аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цементита — перлит. Пользуясь— правилом отрезков по диаграмме состояния (см. рисунок 33), можно определить соотношение феррита и цементита в перлите при 727 °С

где Q — количество вещества.

Сплавы с содержанием 0,8% С называются эвтектоидными, менее
0,8% — доэвтектоидными и более 0,8% С — заэвтектоидными. При
охлаждении сплавов, лежащих правее точки 5 и содержащих более
0,8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита с выделением
из него вторичного цементита. Так как выделяющийся вторичный
цементит содержит 6,67% С, концентрация углерода в остающемся
аустените изменяется по линии SE до состава точки S (0,8% С) при
727 °С.

Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из
аустенита и феррита, а в области IX — из феррита и перлита. Заэвтектоидные сплавы (0,8—2,0% С) в области V состоят из аустенита
и вторичного цементита, а в области X — из вторичного цементита
и перлита.

Сплавы, содержащие от 2,0 до 4,3% С, выше линии РSК, но ниже
линии ЕСF (область VI) состоят из аустенита, вторичного цементита
и ледебурита.

По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит
превращение аустенита в перлит; структура сплава состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, соответствующие
эвтектической точке С, ниже линии РSК имеют структуру одного ледебурита.

Сплавы, содержащие 4,3—6,7% С, ниже линии СF, но выше линии
РSК (область VII) состоят из первичного цементита и ледебурита;
ниже линии РSК (область XII) сплавы сохраняют эту структуру.

В нижней левой части диаграммы линия РQ показывает уменьшение растворимости углерода в ɑ — железе (феррите) с понижением температуры. По линии РQ выделяется третичный цементит. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состоят из феррита и третичного
цементита.

Сплавы, находящиеся внутри области QPG, состоят только из
феррита.