Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Свойства железоуглеродистых сплавов в значительной степени опре­де­ляются содержанием углерода (рис.4)

При охлажде­нии ниже 911 °С γ-железо распадается, вновь происходит вторичная кри­сталлизация с образованием Fe с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. При температуре 768 °С образуется Feα, обладающее магнитными свойствами.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе с предельной концентрацией 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит высокопластичен и имеет относительное удлинение 40…50 %. Твердость феррита находится в пределах от 80 до 120 НВ. В холодном состоянии фер­рит хорошо обрабатывается давлением.

Цементит – химическое соединение Fe₃C, содержащее 6,67 % углерода. Температура плавления цементита 1250 °С. Кристаллическая решетка сложная, ромбическая, плотноупакованная. Это самая твердая составляющая сплавов железа с углеродом, имеет условную твердость 800 НВ. Цементит ферромагнитен до температуры Кюри – 210 °С. Сплав на основе чистого цементита не используют, так как он хрупок. Различают цементит первичный, формирующийся при первичной кристаллизации и цементит вторичный, который образуется при вторичной кристаллизации. В стали вторичный цементит образуется при распаде аустенита.

Углерод может присутствовать в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии, в виде графита. Графит обладает низкой прочностью, это самая мягкая составляющая железоуглеродистых сплавов.

Перлит (рис.5) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода, образующаяся при распаде аустенита при температуре 727 °С. Твердость перлита 200 НВ. У перлита высокая прочность – 800 МПа. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. При слабом увеличении пластинчатое строение перлита не различается, но полированная поверхность имеет характерный перламутровый блеск. Перлит при обычных условиях охлаждении образуется во всякой стали и чугуне.Сталь, содержащая 0,8 % углерода, называется эвтектоидной сталью. Под перлитным превращением понимают распад аустенита на эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита. Сталь, содержащая углерода менее 0,8 %, называется доэвтектоидной. Она состоит из перлита и феррита. Сталь, содержащая углерода более 0,8 % называют заэвтектоидной. Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита. В заэвтектоидной стали цементит располагается в виде сетки вокруг зерен перлита.

Ледебурит - эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, которая формируется из расплава при первичной кристаллизации железоуглеродистого сплава, содержащего 4,3 % углерода при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С ледебурит распадается с образование смеси цементита и перлита (превращенный ледебурит). Ледебурит имеет условную твердость 700 НВ, обладает сотовым и пластинчатым строением.

Диаграмма состояния, представленная на рис.6, графически отражает в координатах «Содержание углерода»/«Температура сплава» структуру и состояние сплавов железа с углеродом при различном содержании углерода, дает представление о температурных и концентрационных границах существования этих сплавов. Линия АВСD – линия ликвидуса, выше которой сплав находится в жидком состоянии. Линия AНJECF – линия солидуса – геометрическое место точек конца процесса первичной кристаллизации сплава. Ниже линии солидуса сплав находится в твердом состоянии. При температуре 1147 °С при содержании углерода 4,3 % (в точке С) в системе железо-цементит происходит эвтектическое превращение: эвтектическая жидкость кристаллизуется в виде эвтектики аустенита и цементита₁ - ледебурита. Линия GSE – соответствует началу процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS – линия верхних критических точек (Ас₃), соответствующая температуре начала процесса выделения феррита при распаде аустенита. Линия ES – линия верхних критических точек (Аc_m). Она показывает температуру начала выделения вторичного цементита и соответствует предельной растворимости углерода в аустените.

Рис. 6. Диаграмма железо-цементит

При нагреве выше верхней критической точки Аc_m (линии ES) заэвтектоидные стали приобретают аустенитную структуру. Структура заэвтектоидной стали после медленного охлаждения до комнатной температуры состоит из перлита и цементита_II.

Линия PSK – линия эвтектоидного превращения, соответствующая завершению процесса вторичной кристаллизации при температуре 727^оС (Ас₁). При изотермическом распаде аустенита структуры перлитного типа (феррит + цементит_II) образуются в интервале температур 727-500 °С.

Сплав, содержащий до 2,14 % углерода, кристаллизующийся с образованием первичной структуры аустенит, называют сталью. Сплав, с содержанием углерода более 2,14 %, кристаллизующийся с образованием первичной структуры ледебурит, называют чугуном.

Чугун, содержащий 4,3 % углерода, называют эвтектическим; менее 4,3 % С – доэвтектическим и более 4,3 % - заэвтектическим. Структура чугуна может включать перлит, феррит, цементит, графит. Механическими характеристиками чугуна можно управлять, влияя на изменение формы углеродной составляющей. Углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в цементите и в свободном состоянии в виде графита (рис.7). В белом чугуне углерод находится в химически связанном состоянии в цементите. Серый чугун характеризуется наличием графитной фазы.

Форма углерода в чугуне зависит от скорости охлаждения, содержания примесей и последующей обработки. Белые чугуны не содержат свободного графита, в них углерод находится в составе цементита. Цементит придает излому чугуна белый цвет. Получению белого чугуна способст­вует присутствие марганца, хрома, молибдена, вольфрама. Белый чугун имеет высокую твердость, хрупок, практически не поддается обработке резанием.

Для получения обычного серого чугуна требуется медленное охлаждение расплава. В этих условиях при высоких температурах происходит графитизация - цементит распа­дается с выделением пластинчатого графита. Графитизации чугуна способствует также наличие примесей кремния, алюминия, никеля и меди. В серых чугунах содержится обычно от 1,5 до 3,5 % кремния. По составу различают обычные серые чугуны с перлитной, ферритной и ферритно-перлитной основой. Свойства металлической матрицы серых чугунов аналогичны свойствам сталей.

Пластинчатый графит снижает прочность чугуна при растяжении и уменьшает пластичность сплава, так как графитовые включения по сути представляют собой микродефекты. На прочность при сжатии и твердость графит не оказывает существенного влияния. Графит, образуя смазочные пленки, снижает коэффициент трения, повышает износостойкость чугуна и улучшает обрабатываемость резанием. Ферритные и ферритно-перлитные серые чугуны применяют для строительных конструкций. Перлитные чугуны используют для изготовления износостойких деталей.

В высокопрочном сером чугуне графит присутствует в виде включений шаровид­ной (глобулярной) формы. По механическим свойствам он превосходит и обычный серый, и ков­кий чугуны. При таком строении графитовых включений металлическая матрица наименее ослаблена. Основа металлической матрицы высокопрочного чугуна такая же, как и в обычных серых чугунах. Для получения графитовых включений шаровидной формы в жидкий чугун вводят 0,03…0,07 % щелочных или щелочноземельных металлов. Высокопрочные чугуны, имея хорошие литейные свойства и износостойкость, по механическим свойствам соответствуют литой углеродистой стали и могут обрабатываться резанием. Применяются для изготовления ответственных деталей в тяжелом машиностроении – валов прокатных станов, траверс прессов.

Ковкий серый чугун получают из белого чугуна ступенчатым отжигом. Для получения ковкого чугуна белый чугун, содержащий приблизительно 2,5 % углерода, вы­плавленный в электропечи, нагревают в нейтральной атмосфере до 900...950 °С, а затем медленно охлаждают со скоростью 5 град/час. Структура серого ковкого чугуна характеризуется наличием графитовых вклю­чений хлопьевидной формы. Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной или перлитной.

Ферритный ковкий чугун получают из белого чугуна следующего химического состава: С – 2,4…2,8 %, Si – 0,8…1,4 %, Mn – 0,3…0,4 %. Отливки белого чугуна сначала отжигают, нагревая до 850…1000 ^оС в течение 20…25 часов и выдерживая при этой температуре 10…15 ч . При этом распадается первичный и частично вторичный цементит. Вторая стадия отжига протекает при 720…740 °С в течение 25…35 ч . При этом распадается цементит перлита. Излом ферритного ковкого чугуна имеет темный матовый цвет. Детали из него получают литьем с последующим отжигом.

Перлитный ковкий чугун получают из белого чугуна следующего состава: С- 2,8…3,4 %, Si – 0,5…0,8 %, Mn – 0,4…0,5 %. Отжиг производят в окислительной среде, засыпая отливки измельченной рудой, нагревом их до 1000 ^оС и выдержкой при этой температуре в течение 51…57 ч. Затем медленно охлаждают на воздухе. При этом значительная часть углерода в поверхностном слое выгорает.

Диаграмму Fe-Fe₃C применяют для назначения температурных интервалов термической обработки, обработки давлением, литейного производства. Состав и количество фаз в двухфазных областях диаграммы определяют по правилу отрезков.