Диаграмма состояния железо—углерод

Сплавы железа применяются практически во всех отраслях промышленности. Главные из них — сплавы железа с углеродом — чугуны н стали. Поэтому изучению их строения и свойств уделяется большое внимание. Основы диаграммы Fe —С были заложены Д. К Черновым.

 

Компоненты. Железо — серебристо-светлый полиморфный металл с плотностью γ = 7,86 г/см³. При комнатной температуре технически чистое железо, содержащее 0,1...0,15% примесей, обладает невысокими прочностными свойствами (НВ 75…90, σ_в= 250…350 МПа, σ_0,2=120…150 МПа) и достаточно высокой пластичностью (δ = 40…50%, ψ = 80…85%). Свойства железа, как и других металлов, сильно зависят от его чистоты. По мере очистки железа его пластичность растет, а прочность и твердость падают. На кривой кристаллизации железа (см. рис.6) выделены критические точки — температуры плавления, полиморфных н магнитного превращений. Для удобства точку Кюри (768 ^оС) обозначают А_r2 (при охлаждении) н А_c2 (при нагреве). Температуры 911 °С н 1392 °С обозначают соответственно А_r3,А_r4 (при охлаждении) и А_c3, А_c4 (при нагреве).

Углерод — неметаллический элемент с γ = 2,5 г/см³, tпл = 3500 °С; в свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита. В сплавах с железом углерод приобретает металлические свойства.

Фазы. При взаимодействии железа с углеродом образуются химическое соединение (цементит) и твердые растворы.

Цементит — химическое соединение железа с 6, 67% углерода — карбид железа Fe₃C. Цементит имеет сложную ромбоэдрическую решетку, высокую температуру плавления — примерно 1600 °С, обладает твердостью НВ более 800, большой хрупкостью, ферромагнитен до температуры 210 °С. Кроме цементита, железо с углеродом образует и другие химические соединения, но все они вследствие высокой хрупкости не представляют практического интереса. Поэтому рассматривается не вся диаграмма Fe — С, а ее часть — диаграмма Fe — Fe₃C (рис. 19). По условиям образования различают цементит первичный Ц1 (образуется при кристаллизации в виде больших светлых кристаллов, рис. 20, з), вторичный ЦII (выделяется из аустенита в виде светлой сетки по границам зерен, рис. 20, д), третичный ЦIII (выделяется в виде мельчайших зерен из феррита, рис. 20, а). Строение, химический состав и свойства первичного, вторичного и третичного цементита одинаковы.

Твердые растворы. Соотношение атомных радиусов железа и углерода благоприятно для образования твердых растворов внедрения.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α;-железе. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа. Это объясняется тем, что в ОЦК решетке нет пор с размерами, достаточными для размещения атомов углерода. Поэтому максимальная растворимость углерода в α;-железе составляет всего лишь 0, 02% при температуре 727 °С (точка Р, рис. 19) и уменьшается с понижением температуры по линии PQ до 0, 0025% при температуре 20 °С (точка Q). Максимальная растворимость углерода в высокотемпературной модификации δ;-железа (ОЦК решетка) — δ;-твердом растворе или δ;-феррите — достигает 0, 1% (точка Н) при температуре 1499 °С, что связано с боль-

 

Рис.19 Диаграмма состояния железо-цементит и

железо-углерод (пунктир)

 

шими параметрами решетки δ;-железа а по сравнению с α;-железом и большой концентрацией вакансий (высокая температура).

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ;-железе (назван в честь английского ученого Р. Аустена). Максимально в ГЦК решетке γ;-желёза растворяется 2, 14% С при температуре 1147 °С (точка Е). При понижении температуры растворимость углерода в γ- железе падает и при температуре 727 °С (точка S) составляет 0, 765%. Но и это намного больше, чем в феррите. Столь большая растворимость объясняется тем, что в ГЦК решетке имеются октаэдрические (в центре куба) поры, соизмеримые с размерами атомов углерода. Аустенит парамагнитен и пластичен.

 

Рис. 20. Микроструктура железоуглеродистых сплавов:

а — техническое железо (0, 02% С);

б — доэвтектоидная сталь (0, 4% С);

в — эвтектоидная сталь — пластинчатый перлит (0. 8% С);

г — эаэвтектоидная сталь — зернистый перлит (0, 9% С);

д — заэвтектоидная сталь (1, 2% С);

е — доэвтектический чугун (3, 5% С);

ж — эвтектический чугун (4, 3% С);

з — заэвтектический чугун (4, 9% С);

и — серый чугун на перлитной основе (2, 7% С);

к — ковкий чугун на феррито-перлитной основе (2, 7% С).

Увеличение: а, б, е — к —´ 200; в — д — ´500.

 

Механические смеси. Сплавы Fe — С претерпевают эвтекти­ческое и эвтектоидное превращения. Эвтектическая механическая смесь аустенита с цементитом в области температур 1147... 727°С и перлита с цементитом при температурах ниже 727 °С называется ледебуритом (в честь немецкого ученого Ледебура) (рис. 20, ж).

Образуется ледебурит из жидкой фазы с 4, 3% С (точ­ка С) по эвтектическому типу:

Ж_С→Л_С (А_Е+Ц_F)

 

При темпе­ратуре 727 °С (линия PSК), обозначаемой А_r1 (при охлаждении) и А_c1 (при нагреве), происходит распад аустенита по эвтектоидному типу:

А_S→П_S (Ф_Р+Ц_F)

Таким образом, изменяется и фазовый состав ледебурита:

Л_С (А_Е+Ц_F) → Л_С (Ф_Р+Ц_F)

Образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита механическая смесь феррита и цементита называется перлитом. Его структура может быть пластинчатой и зернистой (рис. 20, в, г), но в любом случае перлит содержит примерно 0,8% С (точка S) и состоит из двух фаз: Ф + Ц.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С, называются техническим железом, имеют ферритную структуру с мельчайшими редкими вкраплениями зерен ЦIII (рис. 20, а).

Сплавы, содержащие 0,02... 2,14% С, представляют собой стали. Они подразделяются на:

· доэвтектоидные (0,02... 0,8% С)

· эвтектоидные (~0, 8% С),

· заэвтектоидные (0, 8... 2, 14% С).

Структура доэвтектоидных сталей: Ф + П (с увеличением содержания углерода возрастает доля П); эвтектоидной: П; заэвтектоидных: П + ЦII (доля ЦII возрастает с увеличением количества углерода).

Сплавы, содержащие более 2,14% С, называются чугунами.

Различают:

· доэвтектические чугуны (2,14...4,3% С)

· эвтектические чугуны (4,3% С),

· заэвтектические чугуны (4,3...6,67% С).

Структура эвтектического чугуна: Л; доэвтектического: Л + П + ЦII (с увеличением содер­жания углерода растет доля Л); заэвтектического: Л +ЦI (с уве­личением содержания углерода возрастет доля ЦI).

Структура сталей и чугунов приведена на рисунке 20, а — к.

 

Критические точки и линии диаграммы Fe — Fe₃ C.

 

На диаг­рамме Fe — Fe₃ C (см. рис. 19) выделены следующие точки:

А и D —температуры плавления соответственно Fe и Fe₃C;

I, С, S — точки, соответствующие перитектической, эвтектической и эвтектоидной структурам;

H, Е, Р — температуры максимальной растворимости углерода соответственно в -,γ-,и ;-железе;

G и N — температуры полиморфных превращений.

Линии диаграммы соответствуют следующим фазовым превра­щениям:

· линии ABCD и AHIECF — соответственно линии ликвиду­са и солидуса;

· выше линии ABCD все сплавы находятся в жидком состоянии,

· ниже линии AHIECF — в твердом,

· а между ними — в жидко-твердом.

Линия ликвидуса состоит из отрезков АВ, ВС и CD, которые показывают температуры начала кристаллизации соответственно -феррита (Ф), аустенита (А) и первичного цементита (ЦI).

Линия солидуса также состоит из нескольких отрезков. Отрез­ки АН и IE характеризуют температуры конца кристаллизации Ф и А из жидкой фазы; HI — температуру перитектической реакции между жидкой фазой состава В и -ферритом состава H, в резуль­тате которой образуется аустенит состава I (так как в этих сплавах будет избыток Ф, то он полностью не превратится в аустенит:Ж_В+ Ф_Н «А_I + Ф_H);

ECF — эвтектическая температура, при которой жидкая фаза со­става С

кристаллизуется в механическую смесь:

Ж_С«Л_С (А_Е+Ц_F)

Отрезок IB показывает температуру перитектического превра­щения, причем в этих сплавах в избытке находится жидкая фаза, и в результате реакции:

Ж_В+ Ф_Н «А_I + Ж_В

весь феррит прореагирует с частью жидкой фазы, превратившись в А_I.

 

Поскольку железо — полиморфный металл, то в его сплавах с углеродом наблюдаются превращения и в твердом состоянии, обу­словленные как собственно полиморфизмом, так и изменением растворимости углерода в А и Ф при понижении температуры. Опи­сываются эти превращения следующими линиями, которые харак­теризуют:

HN — температуру начала превращения Ф в A,

IN —температуру конца превращения Ф в A;

GS — температуру начала превращения А в Ф,

PG — температуру конца превращения А в Ф;

МО — температуру приобретения ферритом магнитных свойств при охлаждении и потери при нагреве;

ES — предельную раство­римость углерода в аустените: при охлаждении происходит процесс выделения ЦII из А, при нагреве — растворение ЦII в A;

PSK — наличие превращения, подобного эвтектическому: аустенит состава S распадается на эвтектоидную смесь П_S (Ф_Р+Ц_K);

PQ — пре­дельную растворимость углерода в феррите: при охлаждении про­исходит выделение ЦIII, при нагреве — растворение его в феррите.

В качестве примера рассмотрим превращения, происходящие при охлаждении в конкретных сплавах.

Превращения в сталях.

Доэвтектоидная сталь (0,3% С) при охлаждении по линии АВ начинает кристаллизоваться с образованием феррита, который при температуре 1499 °С вступает в перитектическую реакцию с жидкой фазой и превращается в аустенит.

Таким образом:

· между линиями АВ и HIВ сталь будет иметь структуру Ж + Ф,

· между линиями НIB и IE — Ж + А.

· При достиже­нии линии IE последние капли жидкой фазы превращаются в аусте­нит.

· Область гомогенного (однородного) аустенита простирается до линии GS, на которой начинается превращение γ-железа в -железо и сталь попадает в двухфазную A + Ф область.

· С понижением температуры содержание аустенита уменьшается, а феррита уве­личивается. При этом образующийся феррит вытесняет углерод в окружающие его остатки аустенита. Последний насыщается угле­родом (состав изменяется по линии GS) и при температуре 727 °С превращается в перлит.

· Таким образом, структура доэвтектоидной стали будет: Ф + П.

 

Заэвтектоидная сталь (~ 1,2% С) начинает кристаллизоваться при достижении линии ВС, а заканчивает на линии IE. Между этими линиями наблюдается двухфазное состояние: Ж + А. По окончании кристаллизации гомогенный аустенит не претерпевает изменений до линии ES. Ниже этой линии и до температуры 727 °С сталь будет иметь структуру: А + ЦII, причем с понижением тем­пературы цементитная сетка вокруг аустенитных зерен будет утол­щаться. Выделение богатого углеродом вторичного цементита обед­няет аустенит, и при температуре 727 °С он приобретает состав S и превращается в перлит, а цементитная сетка сохраняется (структу­ра стали: П + ЦII, рис.20,д).

 

Превращения в чугунах.

Для чугунов образование цементита — свидетельство метастабильного равновесия: при очень медленном охлаждении должна происходить графитизация.

Доэвтектический чугун (~3% С) начинает кристаллизоваться при достижении линии ВС. Образующиеся кристаллы аустенита содержат менее 4,3% С. Поэтому по мере охлаждения увеличение содержания аустенита вызывает обогащение остатков жидкой фазы углеродом до 4,3% и при температуре 1147°С происходит эвтектиче­ское превращение чугуна. Кроме образовавшегося ледебурита, в структуру чугуна в интервале температур 1147...727°С входят аустенит и выделяющийся из него при охлаждении вторичный це­ментит. Обеднение углеродом структурно свободного аустенита и аустенита, входящего в состав ледебурита, до 0,8% (состав меняется по линии ES), приводит к эвтектоидному превращению аустенита состава S в перлит. Конечная структура доэвтектического чугуна: Л_C + П_S + ЦII (рис. 20, е).

Заэвтектпческий чугун (~5,5% С) кристаллизуется в интервале температур CD — CF. Образуется первичный цементит. По мере кристаллизации остатки жидкой фазы обедняются углеродом и при температуре 1147 °С достигают состава С — происходит образование ледебурита. При охлаждении аустенит обедняется углеродом, дос­тигает состава S (при 727 °С), происходит эвтектоидное превращение чугуна, и структура его будет иметь вид:

Л_С (П + Ц) + ЦI.

Диаграмма Fe — графит.

Процесс образования графита Г называется графитизацией. На диаграмме Fe — Fe₃ C (см. рис. 19) пунктиром нанесены линии выделения графита. По линии C'D' кристаллизуется первичный графит; по линии E'C'F' — эвтектика А + Г; по линии S'E' выделяется вторичный графит; по линии P'S'K' —эвтектоид Ф + Г. Графитизация происходит при очень медленном охлаждении. Облегчает графитизацию при­сутствие кремния и включений SiO₂, AL_2­O₃ и др.

Если при эвтектической кристаллизации получается только це­ментит, чугун называется белым; если образуется только графит — серым; если графит и цементит — половинчатым. Свое название чугуны получили по цвету излома.