5. Диаграмма состояния железо-цементит

Цель работы: Ознакомление со свойствами железа и явлением полиморфизма; изучение фаз на диаграмме состояния железо-цементит и микроструктур доэвтектоидных, заэвтектоидных и эвтектоидной стали.

Задачи: Определение микроструктуры сплавов железа с углеродом, с различным содержанием углерода и при различных температурах.

1. Железо и его свойства. Полиморфизм железа

Железо – металл серебристого цвета с температурой плавления 1539 °С. До 910 °С железо имеет кристаллическую решетку объемно-центриро­ван­ную кубическую (ОЦК) с периодом решетки 2,86 Å. До 727°С решетка носит наименование -железо, от 727 до 911 °С – -железо. В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет решетку гранецентрированную кубическую (ГЦК) и называется -железо. Выше 1392 °С до плавления железо снова имеет решетку -железа, то есть ОЦК, и нередко его обозначают как -железо.

Свойство металла при повышении температуры приобретать разные кристаллические решетки, а, следовательно, и разные физико-механические свойства, называется аллотропией или полиморфизмом.

Форма существования решетки называется модификацией – ; переход от одной модификации к другой – аллотропическим или полиморфным превращением.

До температуры 768 °С - железо ферримагнитно, а выше парамагнитно. При 768 °С идет магнитное превращение, то есть переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное, эта температура называется точкой Кюри и обозначается как критическая точка А₂. На кривой охлаждения это превращение идет при постоянной температуре. На рис. 5.1 (левая часть рисунка) показана кривая охлаждения для чистого железа. Представлены также различные модификации железа.

_t2

_t1

_o

_n

_m

_m

_n

₁

Рис. 5.1. Кривая охлаждения чистого железа и диаграмма состояния ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ (Fe₃C)

Свойство железа. Железо мягкое и пластичное; предел прочности на растяжение 250…300 МПа, условный предел текучести 120…150 МПа; относительное удлинение 50%. Чем чище железо от примесей, тем прочность и твердость ниже, а пластичность выше, и наоборот.

2. Фазы на диаграмме состояния железо-цементит

На рис. 5.1 приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от чистого железа до карбида железа – Fe₃C (6,67% С), т.н. диаграмма железо-цементит (или железо-углерод). Указано ориентировочное назначение сплавов с различным содержанием углерода (ниже оси абсцисс).

На рис. 5.2 более подробно показана левая часть диаграммы железо-цементит, где углерода содержится не более 0,025% – точка P, при температуре 727 ⁰С, а остальное – 99,975% Fe. При комнатной температуре растворимость углерода в -железе около 0,006% (точка Q). Твердый раствор внедрения углерода в называется ферритом. Феррит по свойствам мягкий и пластичный, как железо.

_G

⁰С

₉₁₁

_{Феррит + аустенит}

₇₂₇

_P

_Феррит

Линия предельной растворимости углерода в -железе

_{Феррит +}

_{цементит}

_{третичный}

_Fe

_Q

₀

_0,025

_0,006

_C

Рис. 5.2. Левая часть диаграммы железо-цементит

Твердый раствор внедрения углерода в , называется аустенитом; растворимость углерода до 2,14% С (точка E), при температуре 1147°C (рис. 5.1). По свойствам он тоже мягкий и пластичный.

При содержании углерода в железе 6,67% образуется химиче­ское соединение Fe₃C – карбид железа, со своей сложной кристаллической структурой (рис. 5.3). Он обладает высокой твердостью и хрупкостью, как цемент (отсюда другое название – цементит). Fe₃C плавится примерно при 1550 °C.

Точка А 1539°C на диаграмме отвечает температуре плавления чистого железа, а точка D (1550°C) – температуре плавления цементита Fe₃C, точка G (910 °С) соответствует полиморфному пре­вращению в железе.

Рис. 5.3. Кристаллическая структура цементита (Fe₃C):

чёрный цвет – атомы углерода

Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температуры, соответствующей линии ликвидус ACD. Конец кри­сталлизации соответствует температурам, образующим линию солидус AECF. В сплавах, содержащих углерода до 2,14%, кристалли­зация закончится с образованием чистого аустенита (рис. 5.4). В интервале температур от 1392 °С до температуры плавления сплавы с содер­жанием углерода до 0,51% претерпевают перитектическое превра­щение, которое не оказывает значительного влияния на термиче­скую обработку, так как оно заканчивается образованием аустенита, и поэтому это превращение с целью упрощения нами опущено.

Рассмотрим кристаллизацию доэвтектических сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% С. Например, рассмотрим кристаллизацию сплава 1 с тремя процентами углерода (рис. 5.1). Кристаллизация начинается при . Исходя из правила коноды, из жидкости будут выпадать кристаллы аустенита. Линия – это конода. Химический состав жидкости определяется проекцией точки на ось концентраций, а химический состав кристаллов аустенита – проек­цией точки .

Весовое количество жидкости при температуре определяется отношением отрезков , а весовое количество кристаллов аустенита – отношением . В результате при кристаллизации от до 1147 °С химический состав жидкости меняется по линии ликвидус и приходит в точку С. Химический состав кристаллов аустенита изменяется при этом по линии солидус и приходит в точку Е.

При 1147 °С жидкость, которая по составу пришла в точку С, становится насыщенной одновременно и кристаллами цементита, и кристаллами аустенита и идет эвтектическая реакция:

Эта смесь кристаллов аустенита и цементита называется эвтектикой или ледебуритом. Ниже 1147 °С сплав будет находиться твердом состоянии и структура у него будет аустенит, ледебурит и цементит вторичный. При температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит.

Заэвтектические сплавы, содержащие углерода от 4,3 до 6,6%, кристаллизуются так же, как и доэвтектические сплавы, только вместо кристаллов аустенита из жидкости выпадают кристаллы цементита . После затвердевания эти сплавы имеют структуру: кристаллы цементита и ледебурита. Причем цементит, кристаллизирующийся из жидкости по линии CD, называется первичным цементитом.

Эвтектический сплав, содержащий углерода 4,3%, затвердевает в результате эвтектической реакции с образованием чистого ледебурита, состоящего из кристаллов аустенита и цементита.

Теперь рассмотрим вторичную кристаллизацию, то есть превращения, которые происходят в сплавах при дальнейшем охлаждении после кристаллизации. Эти превращения связаны в основном с полиморфным превращением и соответственно с распадом аусте­нита.

Линия GS на диаграмме (рис. 5.1, 5.4) при охлаждении соответству­ет температурам начала полиморфного превращения железа – . Поэто­му ниже этой линии из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обо­значать при охлаждении и при нагреве, то есть когда феррит полностью растворится в аустените.

Линия ES – это линия предельной (максимальной) растворимости углерода в аустените. С понижением температуры растворимость уменьшается от 2,14% (при 1147 °C) до 0,8% С (при 727 °C) и из­быток углерода выпадает в осадок в виде цементита вторичного . Критические точки, образующие линию ES, обозначают .

PQ – это то же, что и ES, но только в феррите, и выпадает в осадок цементит третичный .

При 727 °C аустенит по составу приходит в точку S (0,8% С) и становится насыщенным и ферритом, и цементитом и идет эвтектоидная реакция:

Эта смесь феррита и цементита называется эвтектоидом или перлитом. Следовательно, ниже 727 °C вместо аустенита будет перлит. В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах.

Температуру эвтектоидного превращения (727°C) обозначают (при охлаждении) и (при нагреве).

Сплавы, содержащие углерода от 0,025% (точка Р) до 0,8% (точка S), называются доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррит, который образуется в интервале температур ниже линии GS до 727 °C, и перлит, образующийся по эвтектоидной реакции.

Сплавы, содержащие углерода до 0,025% называются техническим железом, имеют структуру из чистого феррита (это у сплавов до точки Q) или феррита с небольшим количеством выделений по границам зерен (это у сплавов от точки Q до точки Р).

Сталь, содержащая углерода 0,8% называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только чистый эвтектоид – перлит.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, образовавшегося в интервале температур от линии ES до 727 °C, и перлита образовавшегося в результате эвтектоидной реакции при 727 °C.

Сплавы, содержащие углерода свыше 2,14%, называются чугунами. У них ниже 727 °C вместо аустенита будет перлит, поэтому ледебурит будет состоять из перлита и цементита, и его называют превращенным ледебуритом.