§ 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

1. Общая характеристика железоуглеродистых сплавов. Упро­щенная диаграмма состояния сплавов железа с углеродом приве­дена на рис. 1.8. Она построена в интервале концентраций углерода от 0 до 6,67 %, т. е. до образования химического соединения кар­бида железа Fe₃C, который ведет себя как самостоятельный компо­нент. Поэтому компонентами железоуглеродистых сплавов можно считать железо и карбид железа.

Железо — металл сравнительно мягкий, пластичный. Прочность железа составляет 250 МПа, твердость ИВ 60...80, пластичность fi = 45%. Существующее при комнатной температуре а-железо растворяет до 0,005 % С. Твердый раствор углерода в «-железе

1'кс. 1Н Дн.н рамма состояния сплавов железа с углеродом

а 5 в

Рис. 1.9. Схемы микроструктур углеродистых ста­лей

называют ферритом (Ф). По своим свойствам феррит практически не отличается от технически чистого железа.

Карбид железа Fe₃C, наоборот, очень тверд (НВ « 800), но хрупок. Его называют цементитом (Ц). С увеличением содержания углерода образуется больше цементита, поэтому сплав становится тверже и хрупче.

2. Диаграмма состояния Fe— Fe₃C. Линией ликвидус на диа­грамме является линия ACD, солидус — AECF. Линии GC, SC и PSK отражают превращения в сплавах после затвердевания.

Точка Е, соответствующая концентрации 2,14 % С, делит же­лезоуглеродистые сплавы по структуре на две группы. Слева от этой точки расположены сплавы, которые затвердевают с образова­нием твердого раствора углерода в у-железе, называемого аустсни- том (Л). Эти сплавы достаточно пластичны, способны обрабаты­ваться давлением, их называют сталями.

Сплавы, расположенные правее точки Е, с содержанием угле­рода свыше 2,14 %, затвердевают с образованием эвтектики, умень­шающей пластичность, но улучшающей литейные их свойства. Эти сплавы называются чугунами.

3. Структура сталей. Аустенит в стали с 0,8 % С при охлажде­нии до 727 °С (точка S, рис. 1.8) распадается на дисперсную смесь, состоящую из феррита и цементита (рис. 1.9,а). Смесь, образующуюся при распаде твердого раствора, называют эвтектоидом. Точку S, а также сталь со структурой эвтектоида называют соответственно эвтектоидными. Эвтектоид в железоуглеродистых сплавах полу­чил название перлита (Я).

Стали, расположенные левее точки S, называют доэвтектоидны- ми и правее — заэвтектоидными.

В доэвтектоидных сталях превращения при охлаждении начи­наются на линии GS выделением феррита. Поэтому концентрация углерода в аустените повышается и при 727 °С (линия PSK) дости­гает эвтектоидной — 0,8 %. В этих условиях аустенит превращает­ся в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали после заверше­ния всех превращений образуется структура, состоящая из феррита и перлита (рис. 1.9,6).

Превращения в заэвтектоидной стали начинаются на линии SE, отражающей предельную растворимость углерода в аустените. При температурах ни>*е линии SE из аустенита выделяется цемен-

иг. При этом аустенит обедняется углеродом и, доспнпув эвтек- •оидной концентрации (727 °С), превращается в перлит. В резуль­тате превращений в заэвтектоидной стали формируется структура, •осгоящая из перлита и цементита (рис. 1.9,б).

4. Структура чугунов. В правой части диаграммы точка С яв­ится эвтектической. Эвтектика в чугупе после затвердевания ■оетоит из аустенита и цементита, ее называют ледебуритом (Л). ]ри 727 °С аустенит превращается в перлит, поэтому при нормаль- юй температуре ледебурит состоит из перлита и цементита. Ссот- 1егственно доэвтектические чугуны состоят после затвердевания из 1устенита и ледебурита, а заэвтектические — из ледебурита и це- 1ентита. Ниже 727 °С аустенит в них также превращается в перлит.

Таким образом, структура чугунов, отражаемых диаграммой остояния «железо — цементит», состоит из двух фаз — феррита I цементита, т. е. углерод в них находится в связанном состоянии —

; виде цементита. Такие чугуны имеют в изломе белый оттенок и на­пваются белыми. В связи с большим количеством цементита они сличаются высокой твердостью, затрудняющей обработку реза- [ием. Их применяют преимущественно для передела в сталь.

В применяемых на практике чугунах часть углерода находится ! свободном состоянии — в виде графита. Такие чугуны по серому 'пенку в изломе получили название серых.

Диаграмма «железо — цементит» отражает состояние и структу- >у основных конструкционных материалов — сталей, поэтому имеет ie только большое научное значение, но и находит практическое фименение. Она позволяет устанавливать температуры плавления ! заливки сталей, интервал оптимальных температур нагрева ста- iefi для обработки давлением, режимы термической обработки.