2.3 Участок диаграммы состояния Fe – Fe3c с концентрацией углерода 2,14…6,67 %.

В сплаве III (рис.2.4, а, б) между точками 1_III и 2_III из расплава выделяются кристаллы аустенита. Состав твердой фазы – это аустенит А, изменяющийся по линии АЕ (рис. 2.2), состав жидкой фазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 ⁰С при содержании углерода 4,3 % (точка С) жидкость распадается на механическую смесь аустенита и цементита – аустенитный ледебурит: Л=А + Ц (рис. 2.4, в),. Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2_III – 2’_III на кривой охлаждения сплава III, рис.2.4, б), называется эвтектическим, линия ЕСF – линией эвтектического превращения, а сама механическая смесь – эвтектической. Сплавы, лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, правее – заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Рис.2.4 Часть диаграммы состояния Fe – Fe₃C для белых чугунов (а), структурообразование типовых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и структурообразование сплава с содержанием углерода 3 % при температуре точки 2 (в)

Между точками Ц_II и 3_III из аустенита выделяется вторичный цементит Ц_II (линия ES, рис. 2.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + Л + Ц_II= A + (A +Ц) + Ц_II (т.к. Л=А + Ц). При температуре 727 ⁰С (участок 3_III – 3’_III охлаждения сплава III, рис. 2.4, б) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки 3_III в равновесии находятся фазы П + Л + Ц_II (Л = П + Ц). При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1_IV из жидкости L выделяются кристаллы цементита Ц_I (цементит первичный, т.к. он выделяется сразу из жидкой фазы), в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ниже точки 1_IV. Концентрация углерода (состав) жидкой фазы изменяется по линии DC, когда она в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус DC. При достижении 1147 ⁰С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распадается на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит Л = А + Ц). Это происходит на участке 2_IV – 2’_IV (кривая охлаждения сплава IV, рис. 2.4, б). Дальнейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III. Отличие в том, что в сплаве сохраняется первичный цементит Ц_I. То есть ниже 1147 ⁰С сплав состоит из аустенитного ледебурита (Л = А + Ц) и цементита Ц_I, причем в ледебурите Л содержание углерода в аустените А изменяется по линии ЕS (рис.2.2). А ниже 727 ⁰С сплав состоит из уже перлитного ледебурита (Л = П + Ц) и цементита Ц_I (рис.2.2).

Сплавы железа с углеродом после окончания после окончания всех превращений ниже 727 ⁰С имеют различную структуру. Их условные изображения показаны на рис. 2.5, микроструктуры показаны на рис. 2.6.

Рис.2.5 Графическое изображения структур.

Рис.2.6 Микроструктуры углеродистых сплавов.

1 – 0,005% С, Ф; 2 – 0,15% С, Ф+П; 3 – 0,35% С, Ф+П; 4 – 0,8% С, зернистый перлит; 5 – 0,8% С, пластинчатый перлит; 6 – 1,2% С, П+Ц; 7 – 3% С, П+Л; 8 – 4,3% С, Л; 9 – 5% С, Ц_I+Л

На рис. 2.7 показана микроструктура стали в зависимости от содержания углерода при увеличении в 450 раз.

Рис.2.7 Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода, х 450: а – техническое железо, ; б-е – доэвтектоидные стали (б – 0,1 % С, в – 0,22 % С, г – 0,3 % С, д – 0,4 % С, е – 0,55 % С); ж – эвтектоидная сталь (0,8 % С); з-и – заэвтектоидные стали (з – 1,3 % С, и – 1,1 % С)

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, называют сталью, а более 2,14 % С – чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими температурами плавления, имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Железоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe₃C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные (0,02…0,8 % углерода С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура – перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (0,8…2,14 % С, структура – П + Ц_II). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14…4,3 % С, структура П + Ц_II + Л); эвтектические (4,3 % С, структура - П + Ц_II) и заэвтектические (4,3…6,67 % С, структура - Ц_I + Л).

Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграмма состояния железо-цементит позволяет проследить за превращениями, происходящими при его нагреве и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяснить температурные интервалы фазовых превращений, а также установить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

В соответствии с этой диаграммой назначают режимы термической обработки сталей и горячей обработки металлов давлением. Из нее также получают другие необходимые для производства сведения.