3.2. Диаграмма состояний железоуглеродистых сплавов.

Существует две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов:

1. Метастабильная (“железо-цементит”).

2. Стабильная (“железо-графит”).

Метастабильная диаграмма отражения сплавов, в которых образуется метастабильная фаза – цементит. Стабильная диаграмма отражает структуру железоуглеродистых сплавов, в которых углерод находится в свободном состоянии, т.е. в виде стабильной фазы – графита. По кинематическим соображениям образование в сплаве цементита более вероятно, чем стабильного графита. Поэтому чаще на практике имеют дело с метастабильной диаграммой железо-цементит. Эта диаграмма выглядит следующим образом.

На этой диаграмме линияABCD – линия ликвидус. Линия AHJECF – линия солидус. Горизонтальная линия HJB () – линия перитектического превращения. На этой линии, в результате взаимодействия жидкого расплава с высокотемпературным ферритом, образуется аустенит: .

Горизонтальная линия ECF () – линияэвтектического превращения. На этой линии из жидкого расплава образуется эвтектика, представляющая из себя механическую смесь аустенита с цементитом. Схема эвтектического превращения следующая: .

Линия PSK – является линией эвтектойдного превращения. На этой линии аустенит превращается в механическую смесь феррита с цементитом, т.е. в перлит. Схема эвтектойдного превращения выглядит следующим образом: .

Линия ES – отражает изменения с температурой придельной растворимости углерода в аустените. Как видно из диаграммы максимальная растворимость углерода в аустените при температуре , а с понижением температуры она падает и достигает 0,8% при температуре.

Линия PQ показывает изменение м температурой предельной растворимости углерода в феррите. Видно, что максимальная растворимость наблюдается при температуре и составляет 0,02% по массе. С понижением температуры растворимость падает и достигает 0,006% при комнатной температуре.

Точка G () соответствует полиморфному превращению изжелезо. ТочкаN () соответствует полиморфному превращениюжелезо. ТочкаA () температура плавления чистого железа. ТочкаD () соответствует температуре плавления (распада) чистого цементита. Диаграмма железо-графит выглядит аналогично, с той лишь разницей, что точки и линии смещены вверх и влево, а в место цементита присутствует графит.

3.3 Фазовые превращения в сталях.

Область диаграммы от 0 до 2,14% соответствует стали. Рассмотрим фазовые превращения в сталях, на примере сплавов разного состава. Состав I (от 0,8% по массе) начинает кристаллизоваться в точке 1. С выделением из жидкого расплава кристаллов аустенита. В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкого расплава в зёрна аустенита. Ниже точки 2 до S, сплав остывает. В точке S () аустенита становится неустойчивым и превращается в механическую смесь феррита с цементитом, т.е. в перлит. Это эвтектоидное превращение, которое идёт по схеме (3), после завершения эвтектойдного превращения, сплав будет состоять из зёрен перлита. При дальнейшем уменьшении температуры наблюдается уменьшение растворимости углерода в феррит, и избыточный углерод выделяется из феррита, образуя цементит. Этот цементит объединяется с цементитом эвтектоида и структурно не обнаруживается. Таки образом при комнатной температуре состоит из чистого перлита. Сплав, содержащий 0,8% углерода и имеющий структуру чистого перлита, называетсяэвтектоидной сталью.

Сплав (II) содержащий углерода . Этот сплав выше точки 3 находится в жидком состоянии. В точке 3 начинается его кристаллизация, при этом в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов аустенита. По мере уменьшения температуры от точки 3 до точки 4, доля аустенита нарастает, а количество жидкости уменьшается. В точке 4 процесс кристаллизации завершается и ниже этой точки, в плоть до точки 5, сплав состоит только из зёрен аустенита, который остывает без каких либо превращений. В токе 5 растворимость углерода в аустените достигает своего предельного значения. При дальнейшем уменьшении температуры избыточный углерод выделяется из аустенита и по границам зёрен формируется цементит, который называетсявторичным. По мере уменьшения температуры от точки 5 до точки 6, доля вторичного цементита нарастает. При этом доля содержания углерода в цементите уменьшается, достигая 0,8% в точке 6 (727º С). Этот аустенит, при указанной температуре превращается в перлит, по средством эвтектической реакции: .

После завершения эвтектойдного превращения сплав будет состоять из зёрен перлита по границам которых располагаются цементита в виде сетки. Сплавы типа (II), содержащие называетсязаэвтектоидными сталями. Чем ближе состав этих сплавов к эвтенктойдному (0,8% C), тем больше в структуре перлита и меньше цементита, и наоборот.

Сплав (III) содержит углерода . Этот сплав начинает кристаллизоваться в точке 7, с выпадением из жидкого расплава высокотемпературного феррита. По мере уменьшения температуры до точки 8. Доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкости уменьшается. В точке 8) наблюдается перитектическое превращение (1):. В ходе превращения жидкий расплав взаимодействует с кристаллами феррита, в результате чего образуются кристаллы аустенита. После завершения перитектического превращения сплав будет состоять из зёрен аустенита и феррита, который в данном случае окажется избыточным для перитектической реакции. В интервале температур от точки 8 до точки 9 происходит полиморфное превращение высокотемпературного феррита в аустенит. В точке 9 это превращение полностью завершается и поэтому ниже точки 9, в плоть до точки 10, сплав состоит только из зёрен аустенита, который остывает без каких-либо превращений. В токе 10 начинается процесс постепенного полиморфного превращенияжелезо. При этом из аустенита выпадают кристаллы феррита. По мере уменьшения температуры от точки 10 до точки 11 доля кристаллов феррита нарастает, а доля кристаллов аустенита уменьшается. В точке 11 процесс превращения аустенита в феррит полностью уменьшается, и ниже этой точки вплоть до точки 12 сплав состоит из феррита. В точке 12 содержание углерода в феррите достигает своего предельного значения, по причине снижения растворимости углерода в феррите с понижением температуры. При дальнейшем понижении температуры лишний углерод выделяется из феррита и образует цементит, который называетсятретичным. Таким образом, при комнатной температуре сплав (III) состоит из зёрен феррита с выделением кристаллов третичного цементита.

Если содержание углерода в сплаве 0,006%, то выделение третичного цементита на последнем этапе затвердевания не наблюдается. Такой сплав состоит только из зёрен феррита, такой сплав называетсятехническое железо. Если сплав содержит углерода от 0,02-0,08% углерода, то начало процесса кристаллизации напоминает процесс кристаллизации сплава (III), и завершается первичная кристаллизация также образованием аустенита.

Отличия начинаются с точки 13. При этой температуре аустенит начинает превращаться в феррит, по причине превращения железо. По мере уменьшения температуры от точки 13 до точки 14, доля кристаллов аустенита уменьшается, а доля кристаллов феррита нарастает. При этом увеличивается содержание углерода в аустените. В точке 14, т.е. на линииPSK, содержание углерода в аустените будет достигать 0,8%. При указанной температуре этот аустенит превращается в перлит, по средствам эвтектоидной реакции (3). После завершения эвтектоидного превращения сплав будет состоять из зёрен перлита и феррита, состава точки P. При дальнейшей уменьшении температуры в результате снижения растворимости углерода в феррите, лишний углерод из феррита выделяется и образуется третичный цементит. Таким образом при комнатных температурах этот сплав будет состоять из зёрен перлита и феррита, с выделением кристаллов третичного цементита. Сплав с такой структурой относится к доэвтектоидным сплавам. Чем ближе их состав к эвтектоидному, тем больше в структуре перлита и меньше феррита и наоборот.