Конструкционные материалы на металлической основе

Диаграммой состояния железо-цементитназывается графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации углерода в условиях равновесия. Фазовой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. На рис.1.1 изображена диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, имеющая большое практическое значение.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:
Аустенит – твердый раствор углерода в γ–железа с предельной концентрацией углерода 2,14% при температуре 1147 ⁰С, с понижением температуры до 727 ⁰С концентрация углерода уменьшается до 0,8% С. Сталь со структурой углерода аустенита не магнитна и имеет высокие пластичность и вязкость.
Феррит – твердый раствор углерода в α–железе с предельной концентрацией углерода 0,02% при температуре 727⁰ С. Феррит имеет малую твердость и высокую пластичность.
Цементит (6,67% С) - химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Цементит имеет высокую твердость и низкую пластичность.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8% С). Сталь, имеющая структуру перлита, обладает повышенными прочностью и твердостью.
Ледебурит (4,3% С)- механическая смесь (эвтектика) аустенита и перлита. Ниже температуры 727 ⁰С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита.
Графит– углерод в свободном состоянии, образующийся в чугунах в результате распада цементита при медленном охлаждении. Графит обладает низкой твердостью и малой прочностью.

На диаграмме состояния железо-цементит (рис.1.1):

- линия ABCD – линия ликвидуса, выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии;

- линия AECF – линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При этих температурах заканчивается процесс первичной кристаллизации.

- в точке С при концентрации углерода 4,3% образуется эвтектика, которая носит название ледебурит;

- линия PSK – линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации;

- линия PS – линия нижних критических точек А₁

- линия GS – линия верхних критических точек А₃, она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита;

- линия SE – линия верхних критических точек А_m, она показывает температуру начала выделения вторичного цементита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, условно называют сталями, более 2,14% С – чугунами. Cталь, содержащая 0,8% С называется эвтектоидной сталью, а при содержании менее 0,8%С – доэвтектоидной. Сталь, содержащая более 0,8% С – заэвтектоидной. Сталь. Сплав железа с углеродом, содержащий 0,025…2,14% углерода, а также ряд других элементов. Вид продукции металлургичесого производства в черной металлургии. Различают холоднокатаную, горячекатаную, деформируемую, толстолистовую, тонколистовую, углеродистую, легированную, электротехническую, трансформаторную, спокойную, полуспокойную, кипящую, конструкционную, инструментальную, коррозионностойкую, котельную, литейную, штамповую, жаропрочную, жаростойкую, магнито–мягкую, магнито–твердую, износостойкую, калиброванную, дамасскую (булатную), быстрорежущую, арматурную, аустенитную, мартенситную, сталь Гадфильда и другие разновидности стали.

Практическое применение диаграммы Fe-Fe₃С. Диаграмму железо-цементит применяют для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали; для назначения температурного нагрева заготовок при обработке давлением; для определения температуры плавления и заливки сплавов в литейную форму. Температуру плавления и заливки расплава в форму определяют по линии ликвидуса. Температурный интервал при горячей деформации стальных заготовок находится ниже линии солидуса на 100…150 ⁰С (верхний предел) и выше линии критических точек А₃ на 25…50 ⁰С (нижний предел). Основой процесса термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе α- и γ-железа. Полиморфные превращения стали протекают в определенном интервале температур, ограниченном нижней А₁ и верхними А₃ и А_m критическими точками. В результате полиморфизма происходит перекристаллизация (изменение кристаллического строения) стали в твердом состоянии. Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержки их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава, а следовательно и его свойства. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различные структуры и физико-механические свойства. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различные физико-механические свойства и структуры железоуглеродистых сплавовОсновные виды термической обработки – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг, нормализация и закалка выполняются при нагреве выше точки А₃ или А_m с последующим охлаждением при отжиге вместе с печью, при нормализации – на воздухе, а при закалке – быстрое охлаждение в воде или масле. Регулируя скорость охлаждения, стали из аустенитного состояния, можно получить различные структуры: мартенсит, тростит, сорбит, перлит. Отпуск выполняют при нагреве ниже точки А₁ и медленном охлаждении. Этот вид термической обработки применяют как сопутствующую операцию после закалки для получения более устойчивых структур.