§ 5. Диаграмма состояния системы железо — углерод

В современной диаграмме состояния даны две линии равновесия системы. Сплошной линией показана диаграмма состояния для практического равновесия системы железо — цементит, или метастабильная диаграмма (фиг. 5а). Ввиду того, что возможен процесс распада Fe₃C и система Fe — Fe₃C не является теоретически полностью равновесной, ее и называют метастабильной. Пунктирной линией нанесена диаграмма состояния для равновесия системы железо — графит, или стабильная диаграмма (фиг 56).

До настоящего времени еще нет ясности, в каком состоянии выде­ляется углерод из жидкого и твердого растворов — в виде химического соединения Fe₃C или в виде графита.

Большинство наших исследователей считает, что углерод может выде­ляться в виде цементита и графита в зависимости от скорости охлажде­ния и химического состава.

По оси абсцисс диаграммы отложено содержание от 0 до 6,67% С, по оси ординат — температура от 0 до 1600°.

Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — цементит, которая имеет большое практическое значение: ею пользуются для назначения ре­жимов термической обработки сталей и чугуна и определения температурных пределов обработки давлением.

Линию АСД диаграммы (фиг. 5) называют линией ликвидуса; выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Когда темпера­тура сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации из жидкого сплава аустенита, а на линии СД — цементита.

Так как цементит выделяется непосредственно из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным цемен­титом .

При понижении температуры сплава ниже линии АСД кристаллизация его продолжается с постепенным увеличением количества твердых кристал­лов за счет уменьшения жидкого сплава.

Линию AECF называют линией солидуса, ибо она соответствует моменту полного затвердевания сплава: В точке С при 4,3% углерода и 1130° сплав; переходит в твердое кристаллическое состояние; эта точка называется эвтектической точкой, а сплав этого состава — эвтектическим.

Структура эвтектического сплава при метастабильном затвердевании — ледебурит.

Аустенит, входящий в эвтектику, имеет наибольшее содержание угле­рода, равное 2,0%.

Сплавы, содержащие более 2,0% углерода, называются чугунами, а содержащие менее 2,0% С — сталями.

Чугун, содержащий ровно 4,3% углерода, называют эвтектическим.,, менее 4,3% углерода— доэвтектическим, а содержащий более 4,3% угле­рода — заэвтектическим.

В зоне // диаграммы сплав состоит из кристаллов аустенита и жидкого сплава; обе фазы переменного состава в зависимости от тем­пературы.

Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией АЕ\, а в жидкой части сплава — линией АС. В зоне /// диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава.

Содержание углерода в жидком сплаве определяется линией CD.

При температурах, соответствующих линии GSE, начинается процесс вторичной кристаллизации (за счет аустенита), т. е. процесс 'кристаллиза­ции из твердого раствора.

В зоне IV стали имеют структуру аустенита. При этом ветвь GS назы­вается линией Л₃; она показывает температуры начала выделения феррита из аустенита, а ветвь SE, называемая линией А_т, показывает выделение вто­ричного цементита из аустенита. В зоне VIII стали имеют две структурные составляющие — феррит и аустенит. В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие — цементит и аустенит. В этом случае цементит выделяется из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Этот цементит называется вторич­ным. Содержание углерода в аустените определяется линией. SE.

При температурах, соответствующих линии PSK, завершаются процессы вторичной кристаллизации. Эта линия является эвтектоидной линией или линией А_г.

При этих температурах твердый раствор с содержанием 0,80% С рас­падается на механическую смесь феррита и цементита, называемую пер­литом. Точка 5 называется эвтектоидной. Сталь, содержащая 0,80% С, называется эвтектоидной, менее 0,80% С — доэвтектоидной, более 0,80% С— заэвтектоидной.

В структуре доэвтектоидных сталей, кроме перлита, присутствует из­быточный феррит.

Чем меньше в стали содержится углерода, тем больше будет содер­жаться в структуре феррита.

Доэвтектоидные стали на практике делят на три класса: мягкие стали, (содержащие до 0,4% С), средней, твердости (0,4—0,6% С) и твердые стали (более 0,6% С). В доэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода увеличиваются твердость и прочность, а пластические свойства ухудшаются, Заэвтектоидные стали применяют главным образом как стали инструмен­тальные, доэвтектоидные стали применяют как поделочные.

Рассмотрим структурные превращения в чугуне при его охлаждении (нагревании) ниже линии твердого состояния. В зоне VI диаграммы (доэвтектические чугуны) в равновесии, находятся три структурные состав­ляющие.

Кроме аустенита и ледебурита (продуктов первичной кристаллиза­ции), в структуре имеется еще и вторичный цементит, По мере понижения температуры в этой зоне содержание углерода в аустените понижается за счет образования вторичного цементита. По мере охлаждения содержание углерода в структурно свободном аустените и аустените, входящем в леде­бурит, определяется линией SE.

При температуре, соответствующей линии PSK, чугун, содержащий от 2,0 до 4,3% С, будет состоять из трех структурных составляющих — цементита, ледебурита и перлита (при содержании 0,80% С).

В зоне VII диаграммы (фиг. 5) в равновесии находятся ледебурит и цементит (первичный).

При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Таким образом, в зоне XI будут в равновесии структуры перлита, ледебурита и вторичного цементита.

В зоне XII будут находиться в равновесии кристаллы ледебурита и цементита.

Чугун в зависимости от химического состава и скорости охлаждения может кристаллизоваться как по метастабильной, так и по стабильной системе.

В результате кристаллизации чугун может иметь структуру белого чугуна (перлит + цементит + ледебурит), половинчатого чугуна (перлит+ ледебурит + цементит 4- графит), а также структуру серого чугуна, перлит­ного (перлит + графит), ферритно-перлитного (перлит + феррит + графит), ферритного (феррит + графит).