II. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

2.1 Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

В технике наиболее широко применяют сплавы железа-с углеродом – стали и чугуны, поэтому диаграмма железо - углерод имеет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов:

• Метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-цементит (карбид железа Fe₃C);

• Стабильная, характеризующая превращения в системе железо–графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe – C приведены на рис. 2.1. (напоминаю, что железо может находится в двух полиморфных(аллотропических) формах: Fe_α и Fe_γ).

Рис.2.1 Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода С в Fe_α. Феррит имеет малую растворимость С в Fe_α равную 0,01% при t=0⁰C и 0,02% при t=727⁰C, низкую твердость (80 НВ) и прочность (σ_в = 250 МПа), высокую пластичность (δ = 50%).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода С в Fe_γ. Аустенит имеет максимальную растворимость С в Fe_γ равную 2,14% при t=1147 ⁰C, существует только при высоких температурах (t > t=727⁰C), пластичен, имеет твердость (160…200 НВ.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67 % С, имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластичность (δ = 1%). Чем больше цементита в сплаве, тем большей твердостью и меньшей пластичностью он обладает.

Перлит (П) – эвтектоидная (т.е. выделившаяся из твердого состояния) смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8 % углерода С и является продуктом распада аустенита при t=727 ⁰C (200…250 НВ, δ = 10…20%, σ_в = 600…650 МПа): А_s → Ф_p + Ц.

Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита при t>727 ⁰C и перлита и цементита при t<727 ⁰C. Он образуется при кристаллизации расплава, содержащего 4,3 % углерода С при t=1147 ⁰C.

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C представлена на рис. 2.2.

Рис.2.2 Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

Линия ACD - ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF – солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Площадь 0QPG - область существования феррита. Площадь GSEA - область существования аустенита. На линии DFKL образуется цементит, на линии ECF образуется ледебурит, на линии PSK – перлит.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0…0,02 % углерода – техническое железо, 0,02…2,14 % - стали, 2,14…6,67 % углерода – чугуны.

Так как диаграмма железо-углерод очень сложна разделим ее на характерные участки, которые рассмотрим отдельно.

2.2 Участок диаграммы состояния Fe – Fe3c с концентрацией углерода 0… 2,14 %.

Этот участок диаграммы представлен на рис. 2.3, а, а кривые охлаждения сплавов I и II – на рис. 2.3, б.

Рис.2.3 Часть диаграммы состояния Fe – Fe₃C для сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)

Сплав I выше точки 1_I находится в жидком состоянии. В точке 1_I из жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться в этом, проведем горизонтальную линию через точку а, лежащую ниже точки 1_I, до пересечения с линиями АЕ и АС’ и обозначим соответственно точки а¹ и а². В точке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пересекается с линией АС’ в точке а²) и кристаллы аустенита (с линией АЕ в точке а¹).

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет меняться по линии а² - С’, а состав аустенита – по линии а¹ – 2_I. В точке 2_I процесс кристаллизации аустенита заканчивается. От точки 2_I до точки 3_I не происходит никаких превращений, идет процесс охлаждения аустенита. В точке 3_I и ниже начинает протекать полиморфное превращение. Происходит перестройка кристаллической решетки железа: Fe_γ → Fe_α . В результате из аустенита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3_I горизонтальная линия.

По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита – по линии GP. К моменту достижения температуры 727 ⁰С аустенит содержит 0,8 % углерода (точка S) и начинает распадаться на механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (рис. 2.3, в). Такое превращение называется эвтектоидным (в отличии от эвтектического распад проходит не из жидкого, а из твердого состояния сплава), а линия PSK – линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоидных сплавов, за точкой S - заэвтектоидных. Состав эвтектоидного сплава (перлита) соответствует проекции точки S на ось концентрации (0,81% углерода). Ниже точки 4_I в равновесии находятся феррит, перешедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде аустенита.

В сплаве II (рис. 2.3,а) от точки 1_II до точки 3_II протекают превращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки 1_I до точки 3_I. Ниже точки 3_II из пересыщенного углеродом аустенита выделяется цементит Fe₃C, получивший название вторичного (Ц_II), т.к. он образуется из твердой фазы (!!!). Состав аустенита меняется по мере снижения температуры по линии 3_IIS, являющейся частью линии ЕS, которая отражает предельную растворимость углерода в аустените. С понижением температуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения температуры 727 ⁰С содержание углерода в аустените составляет 0,81 % и он распадается на механическую смесь – перлит. Ниже точки 3_II в равновесии находится смесь А + Ц_II, а ниже точки 4_II - П + Ц_II, причем перлит образовался в результате распада аустенита в точке 4_II.