Учебно-методическое пособие Нижний Новгород

Учебно-методическое пособие

Нижний Новгород

2008
Черней О.Т. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов: Учебно-методическое пособие.- Н.Новгород: ВГИПУ.-27с.


Рецензенты:

Рукосуев И.В., к.т.н., доцент Нижегородского государственного технического университета
Кутепова Л.И. к.п.н., доцент Волжского государственного инженерно-педагогического университета
В учебно-методическом пособии разбираются диаграммы состояния систем железо – цементит и железо – графит. Рассмотрены процессы равновесных фазовых превращений в сплавах при охлаждении, а также рассмотрены вопросы образования структур. Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальности 050501.65 Профессиональное обучение (автомобили и автомобильное хозяйство), (технология и технологический менеджмент в сварочном производстве), 050501 Профессиональное обучение (по отраслям)

© ЧернейО.Т., 2008

© ВГИПУ, 2008

Содержание

Введение…………………………………………………………………..4

Компоненты и фазы в системе железо – углерод………………………5

Превращения в сплавах системы железо-цементит……………………9

Характеристика точек и линий диаграммы состояния

«железо—цементит» ….………………………………………………10

Первичная кристаллизация сталей……………………………………..18

Вторичная кристаллизация сталей…………………………………….20

Превращения чугунов…………………………………………………...24

Превращения в сплавах железо-графит………………………………...26

Диаграмма состояния системы железо – углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы – стали и чугуны – представляют собой сплавы железа с углеродом. В состав сталей и чугунов кроме углерода входят кремний, марганец и другие элементы, но углерод является основным компонентом, оказывающим влияние на структуру и свойства железных сплавов.

Диаграмма состояния «железо — углерод» охватывает сплавы, содержащие углерод от 0 до 6,67% (сталь и чугун). При содержании 6,67% углерода образует­ся химическое соединение железа с углеродом Fe₃C — карбид железа, который называется цементитом. Часть диа­граммы состояния «железо — углерод» (до 6,67% С), об­веденную сплошными линиями, называют диаграммой со­стояния «железо — цементит». Она охватывает все сплавы, имеющие большое практическое применение. Диаграмма состояния, обведенная штриховыми линиями, называется диаграммой состояния «железо — графит». Диаграмма со­стояния «железо — углерод» является сложной. В сплавах железа с углеродом происходят превращения не только из жидкого состояния, но также и в твердом состоянии, вследствие аллотропического и эвтектоидного превращении, а также ограниченной растворимости углерода в железе  и железе .

1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод

Железо — металл переходной группы серебристо-серого цвета, очень пластичный, с удельным весом 7,86 г/см³, температурой плавления 1539° С. Чистейшее железо содержит примесей до 0,01%. На практике применяется техническое железо, содержащее 0,1% примесей таких, как С, Mn, Si, S, Р, О₂, Н₂, N₂ и др.

Железо имеет несколько аллотропических модификаций α, γ и δ (Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность некоторых веществ при одном и том же химическом составе изменять тип кристаллической решетки, а значит, иметь различные свойства)

Модификация α существует при температурах ниже 911 °С. Кристаллическая решетка α-железа – объемно центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,28606 нм. Плотность α-железа 7,68 Мг/м3 .

Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 - 1392 °С. Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,3645 нм. В интервале температур 1392 - 1539 °С существует δ-железо с кристаллической решеткой объемно центрированного куба (ОЦК) с периодом решетки 0,293 нм. Высокотемпературная модификация (именуемая δ-Fe) не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768^oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа, равная 768^oС, обозначается А₂. Это фазовый переход второго рода.

Температуру аллотропического (полиморфного) и маг­нитного превращения железа принято называть крити­ческими точками и обозначать их буквой А с соответствую­щими индексами 2, 3, 4, указывающими на характер прев­ращения. Чтобы отличить превращения, протекающие в железе и в железоуглеродистых сплавах при нагревании, от превращений при охлаждении принято к обозначению критических точек добавлять: при нагревании индекс с, при охлаждении индекс r.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ по Бринеллю) и прочностью, но высокими характеристиками пластичности. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Цементит – соединение неустойчивое (метастабильное) и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, твердый раствор углерода в α–Fe – феррит (в случае δ-Fe – высокотемпературный феррит Ф_δ), твердый раствор углерода в γ-Fe - аустенит, химическое соединение - цементит.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф, )– твердый раствор внедрения углерода в железо.

Феррит имеет переменную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727^oС (точка P рис.1). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^oС существует высокотемпературный феррит Ф_δ с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^oС (точка J рис.1). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

Аустенит (А, ) – твердый раствор внедрения углерода в γ - железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен. Структура аустенита состоит из одной фазы — твердого раствора переменного состава.

Растворимость углерода в железе  зависит от темпера­туры. Чем выше температура, тем больше растворимость. Максимальная растворимость углерода в железе у равна 2,0% при температуре 1130° С; минимальная растворимость равна 0,8% при температуре 723° С. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

свободная энергия графита. Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис. 1.

Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит - 6,67 %С, жидкая фаза - от 2,14 до 6,67 %С, графит – 100 %C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.

Каждая точка диаграммы состояния «железо — цемен­тит» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре.

А - точка, соответствующая плавлению - кристаллизации чистого железа. Температура, отвечающая этой точке 1 539 °С. Число степеней свободы в этой точке равно нулю. На термических кривых для чистого железа температуре точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, со­провождается резким увеличением объема (около 6 %), связанным с на­рушением дальнего порядка в кристаллическом строении  -железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления.

В - точка предельного насыщения железом жидкого раствора, на­ходящегося в равновесии одновременно с кристаллами - и  -твердых растворов при перитектической температуре. Точке В соответствует со­держание углерода в жидкости 0,51 %, температура 1 496 °С.

С - эвтектическая точка в метастабильной системе Fe-Fe₃C. Темпе­ратура 1147 °С, концентрация углерода, соответствующая точке С, - 4,3 %, это содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии одновременно с аустенитом и цементитом при эвтектическом превраще­нии. Число степеней свободы, соответствующее этой точке, равно нулю. На термических кривых охлаждения и нагрева точке С соответствуют горизонтальные площадки, аналогичные площадкам плавления - кри­сталлизации чистого железа.

С' - эвтектическая точка в стабильной системе железо-графит. Температура, соответствующая точке, 1 153 °С, концентрация углерода -4,25 %, это содержание углерода в жидкости, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической кристаллизации. Как и в точке С, в данной точке система нонвариантна.

D - согласно принятым обозначениям, точку D относят к темпера­туре плавления цементита. Однако известные данные свидетельствуют о том, что цементит представляет собой термодинамически неустойчивую фазу, в связи с чем перед плавлением он разлагается на железо и графит. При этом положение точки D на диаграмме оказывается неопределенным.

D' - точка, соответствующая температуре плавления графита (около 4 000 °С).

Е - точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью при эв­тектической температуре (1147 °С) в метастабилъной системе. Значение содержания углерода - 2,14 %. Точка Е на концентрационной оси диа­граммы является своеобразной границей между сталями и чугунами. При содержании углерода в сплавах меньше 2,14 % в их структуре отсутству­ет ледебурит; при содержании углерода более 2,14 % - присутствует. Он является одной из важнейших структурных составляющих чугунов.

Е' - точка, отвечающая предельному содержанию углерода в ау-стените, находящемся в равновесии с графитом и жидким раствором при эвтектической температуре (1153 °С) в стабильной системе. Значение со­держания углерода, соответствующего этой точке, равно 2,03 %.

F - точка предельного насыщения цементита железом при эвтек­тической температуре (1147 °С). Значение концентрации углерода, соот­ветствующее точке F, практически близко к 6,67 %, хотя последние ра­боты показывают наличие некоторой весьма малой растворимости желе­за в цементите.

F' - точка предельного насыщения графита железом при эвтекти­ческой температуре (1153 °С).

G - точка полиморфного превращения в чистом железе . Температура превращения 911 °С. Число степеней свободы системы в этой точке равно нулю. Перестройка кристаллической решетки  сопровождается уменьшением объема, обратный переход   увели­чивает удельный объем образца, что связано с различной плотностью упаковки атомов в гранецентрированной решетке -железа и объемно-центрированной решетке -железа. Точка G соответствует для чистого железа критической точке А₃.

Н - точка предельного насыщения углеродом  -феррита при тем­пературе перитектического превращения. Температура, соответствую­щая этой точке, 1496°С, концентрация углерода 0,10 %. Это содержание углерода соответствует концентрации  -феррита, находящегося в равно­весии с аустенитом и жидкостью одновременно при температуре пери­тектического превращения.

J - перитектическая точка, точка трехфазного равновесия, соот­ветствующая равновесной концентрации аустенита, образующегося по перитектичеокой реакции в изотермических условиях из жидкости сос­тава точки В и  -феррита состава точки Н. Температура, соответствую­щая точке I, равна 1496 °С, концентрация углерода 0,16 %.

К - точка предельного насыщения железом цементита при эвтектоидной температуре 727 °С. Точке практически соответствует кон­центрация 6,67 % углерода.

К' - точка предельного насыщения железом графита при эвтектоидной температуре (738 °С).

М - точка Кюри чистого железа. Температура этой точки 770 °С. Точка соответствует потере ферромагнетизма -железа при нагреве и восстановлению его ферромагнетизма при охлаждении.

N - точка полиморфного превращения  в чистом железе. Температура превращения 1392 °С. Точка N для чистого железа соот­ветствует критической точке А₄. В этой точке система нонвариантна.

О - точка наибольшей растворимости углерода в аустените, нахо­дящемся в контакте с немагнитным ферритом при температуре 770 °С. Содержание углерода в аустените в этой точке равно примерно 0,5 %.

Р - точка предельного содержания углерода в феррите, находя­щемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной тем­пературе (727 °С). Значение содержания углерода для этой точки 0,02 %. Точка Р на концентрационной оси диаграммы отделяет техническое же­лезо от стали. В сталях (содержание углерода выше 0,02 %) в качестве структурной составляющей содержится перлит. В техническом железе (содержание углерода не более 0,02 %) перлит отсутствует.

S - эвтектоидная точка в метастабильной системе. Температура, соответствующая этой точке, 727 °С, содержание углерода 0,8 %. Это содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферри­том и цементитом при эвтектоидной реакции. Число степеней свободы, как и для других трехфазных реакций в данной системе, равно нулю.

S' - эвтектоидная точка в стабильной системе железо-графит. Температура, отвечающая данной точке, 738 °С, содержание углерода в аустените, соответствующее точке S', равно 0,69 %. Это содержание уг­лерода в аустените, находящемся в состоянии равновесия с ферритом и графитом в момент развития прямого или обратного эвтектоидного пре­вращения. Система в точке S' нонвариантна.

Q - точка предельной растворимости углерода в феррите (зна­чение 0,006 % при комнатной температуре). Увеличение концентрации углерода в феррите до значений более 0,006 % приводит к изменению фазового состава и в первую очередь к появлению в структуре тре­тичного феррита.

Основные линии диаграммы железо-цементит

ABCD - линия ликвидус в метастабильной системе, обозначаю­щая начало процесса кристаллизации жидкости в метастабильной систе­ме в равновесных условиях при охлаждении. Эта же линия означает окончание процесса плавления при нагреве сплавов в системе. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоя­нии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу). Жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус, обозначаемая L.

ABCD' - то же, в стабильной системе.

AHJECF - линия солидус в метастабильной системе, обозначаю­щая окончание процесса кристаллизация жидкости в равновесных ус­ловиях при охлаждении, и начало плавления сплавов при нагреве.

AHJE'C'F' - то же в стабильной системе.

АВ - отрезок линии ликвидус - граница области L + .

ВС - отрезок линии ликвидус - граница области L + .

CD - отрезок линии ликвидус - граница области L + Fe₃C.

CD' - отрезок линии ликвидус - граница области L + Г.

АН - отрезок линии солидус - граница области L + .

HJB - линия перитектического превращения (1 496 °С).

HJ - отрезок линии перитектического превращения и одновре­менно отрезок линии солидус - граница между фазовыми областями L +  и  + .

JB - отрезок линии перитектического превращения - граница ме­жду базовыми областями L +  и L + .

JE - отрезок линии солидус - граница области L +  в метаста­бильной системе.

JE'- то же в стабильной системе.

ECF - линия эвтектического превращения - отрезок линии соли­дус в метастабильной системе (1 147 °С).

E'C'F'- то же в стабильной системе (1 153 °С).

ЕС - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в метастабильной системе - граница фазовых областей L +  и  + Fe₃C.

Е'С - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в стабильной системе - граница фазовых областей L +  и  + Г.

CF - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в метастабильной системе - граница фазовых областей L + Fe₃C и  + Fe₃C.

C'F' - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в стабильной системе - граница фазовых областей L + Г и  + Г.

NH - верхняя граница фазовых областей  и + , верхняя температура полиморфного превращения твердых растворов   при охлаждении и  при нагреве.

NJ - нижняя температура полиморфного превращения твердых растворов    при охлаждении и  при нагреве - граница фазовых областей  и  + . NI является критической точкой в сталях и техниче­ском железе. Ее обозначение А₄ (А _{с 4}, А _{r 4}).

GS - верхняя температура полиморфного превращения твердых растворов    при охлаждении и  при нагреве - граница фазо­вых областей  и  + . GS - критическая точка стали. Ее обозначение А₃(Ас₃, Аr₃).

GO - отрезок границы фазовых областей  и  + , соответ­ствующий выделению при охлаждении неферромагнитного феррита.

OS - отрезок границы фазовых областей  и  + , соответ­ствующий выделению при охлаждении ферромагнитного феррита.

GP - нижняя температура полиморфного превращения твердых растворов    при охлаждении и  при нагреве - граница фазовых

областей  и + .

МО - линия магнитного превращения феррита в стали (точка Кю­ри). Температура - 770 °С. МО называют также второй критической точ­кой стали А₂, однако при этом превращении не происходит фазовых пе­реходов, связанных с перестройкой кристаллической решетки.

SE - линия переменной ограниченной растворимости углерода в аустените в метастабильной системе ~ граница фазовых областей  и  + Fe₃C. SE - критическая точка стали А_cm, характеризующая развитие частичной фазовой перекристаллизации в заэвтектоидных сталях и чугунах, заключающейся в выделении вторичного цементита из аустенита при охлаждении и растворении его в аустените при нагреве.

S'E' - линия переменной ограниченной растворимости углерода в аустените в стабильной системе - граница фазовых областей  и  + Г. Как и в метастабильной системе, линия переменной ограниченной рас­творимости характеризует частичное фазовое превращение, заключаю­щееся в выделении-растворении вторичного графита в аустените.

PSK - линия эвтектоидного превращения в метастабильной сис­теме (727°С). PSK является критической точкой A₁ (А_с1 А_г1) в сталях чугунах

характеризующей развитие важнейших фазовых превращений в этих сплавах: аустенитного - при нагреве и перлитного - при охлаждении.

P'S'K' -то же в стабильной системе (738 °С).

PS- отрезок линии эвтектоидного превращения, характеризующий развитие этого превращения в доэвтектоидных сталях - граница фазовых областей  + ,  + Fe₃C

SK- отрезок линии эвтектоидного превращения в метастабильной системе, характеризующий развитие этого превращения в заэвтектоидных сталях и чугунах - граница фазовых областей  + Fe₃C и  + Fe₃C.

S'K' - то же в стабильной системе - граница фазовых областей  + Г

и + Г.

Рассмотрим превращения в сплавах системы Fe – Fe₃С происходящие при за­твердевании жидкой фазы, и в твердом состоянии. Первичная кри­сталлизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ли­квидус и солидус.

На участке АВ начинается кристаллизация феррита высокотемпературного, на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Система находится в твердом состоянии, ниже температур соответствующих линии солидус.

Вторичная кристаллизация вы­звана превращением железа из одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите: при понижении темпе­ратуры эта растворимость уменьшается.

Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите, соответственно. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Различают: первичный цементит Ц_I выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеро­дистых сплавов, содержащих углерода более 4,3% (ниже линии DC, рис. 1), в виде крупных пластинчатых кристаллов.

вторичный цементит Ц_II выделяется при вторичной
кристаллизации из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1130 до 723° С,.

третичный цементит Ц_III— третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен, у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,01% в ин­тервале температур от 723 до 0° С.

Если в железоуглероди­стом сплаве находятся одновременно несколько разновид­ностей цементита, так, например, в сплавах, содержащих углерода более 4,3%, при нормальной температуре одно­временно присутствует Ц_I, Ц_II, Ц_III, а также цементиты, входящие в состав ледебурита и перлита, — все они яв­ляются одной фазой, т. е. химическим соединением, так как имеют один и тот же состав, строение и свойства.

Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ECF и PSK) указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 1499⁰ С (линия HJB) протекает перетектическая реакция : Ж_B + Ф_H А_J. В результате перетектической реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1-0,5%. При 1147⁰С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция Ж_СЛ (А_Е+Fe₃C). В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. При 727 ⁰С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция А_S Ф_Р + Fe₃C.

3. Первичная кристаллизация сталей

Кристаллиза­ция чистого железа протекает изотерми­чески при температуре 1539 °.С, а спла­вов железа с углеродом - в интервале температур. Рассмотрим вначале верх­ний участок диаграммы состояния (рис. 2), где происходит перитектическое превращение.

Рис. 2 Левый верхний угол диаграммы состояния Fе – Fе ₃С – первичная кристаллизация сталей

Сплав I, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического превраще­ния. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом со­ставы жидкой фазы и феррита изме­няются по обычным законам кристал­лизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кри­сталлов феррита. В интервале темпера­тур точек 3-4 происходит перекристал­лизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав III, содержащий 0,16 %С при кристаллизации из жидкой фазы в ин­тервале температур точек 8-9, образует кристаллы феррита, которые при темпе­ратуре точки 9 имеют состав точки H, а оставшаяся жидкость - состав точки В. При температуре 1499 °С протекает перитектическая реакция. Кристаллы фер­рита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита со­става точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотерми­чески и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%. В интервале температур точек 5-6 выделяется фер­рит. При температуре точки 6 в сплаве II содержатся избытки феррита. В ре­зультате перитектический процесс за­канчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита: Ф_Н+Ж_В= A_J+Ф_Н(ост.)

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа IV содержат углерод от 0,16 до 0,51%. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы, по сравнению со сплавом III. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

Ф_н + Ж_В = А_J + Ж_В(ост.)

При дальнейшем охлаждении в интер­вале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изме­няется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Рассмотрим теперь превращения, происходящие в сталях при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии, т. е. вторичную кристаллизацию (рис. 3а).

Большинство технологических операций (термическая обработка, об­работка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмо­трим более подробно превращения сталей при температурах ниже темпе­ратур кристаллизации (ниже линии NJE, рис.1).

Рис. 3(а.б) Часть диаграм­мы состояния Fe — Fe С для сплавов, не испыты­вающих (а) и испытываю­щих (б) эвтектоидное пре­вращение

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I на рис.2а), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит пе­рекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры (20 - 25°С).

При содержании углерода в железе больше 0,0002% (сплав II на рис 2.а) после образования феррита, начиная с темпера­туры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двух­фазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При 20 - 25°С третичный цементит имеется во всех железоуглеро­дистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание ма­ло по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых пре­вращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

Сплав II (рис. 4б ) с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит нонвариантное эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования (рис.4 б,в). .

Рис. 4 - Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь

Сплав I (см. рис. 3б) с содержанием углерода менее 0,8% называ­ют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с+ Ф_а. Количественное соотношение аустенита и феррита соответствен­но определяется отношением отрезков ab и be.

В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вме­сте с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис.4а).

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита.

Сплав III (рис. 3б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выгля­дят светлой сеткой (рис. 4г). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

5.Превращения чугунов

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Сплав II (рис.6) — эв­тектический белый чугун; кристаллизуется при эвтекти­ческой температуре изотермиче­ски. Одновременно выделяются две фазы: аустенит состава точ­ки Е и цементит. Образующаяся смесь этих фаз, как известно, на­звана ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура и содержит 4,3 % углерода.

Фазовый со­став ледебурита, как и любой эв­тектики, постоянен.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените из­меняется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8%С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Таким образом при температуре ниже 727^oС в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит. Такой ледебурит называют ледебурит превращенный (ЛП).

Рис. 6 - Часть диаграммы состояния Fe – Fe₃C для высокоуглеродистых сплавов (чугунов)

В доэвтектических белых чугунах (< 4,3%С) кристаллизация спла­ва начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис.6) этот процесс идет в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит), т.е. начинается процесс:

Ж_с ↔А_Е + Ц

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727°С превращается в перлит.

Структура доэвтектического белого чугуна состоит из крупных темных полей перлита, образовавшегося из структурно - свободного аустенита, на фоне ледебурита ( рис.7а).

Рисунок 7 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун

Сплав III (см. рис.6) - заэвтектический белый чугун (> 4,3%С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале темпе­ратур точек 5 - 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно ли­нии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим пре­вращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II.

Конечная структура заэвтектического чугуна при 20 - 25°С состоит из ледебурита, на фоне которого видны темные участки перлита. Резко выделяются крупные пластинки первичного цементита (рис. 5в).

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, одним из основных факторов, определяющих свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

8. Превращения в сплавах системы железо — графит

Диаграмма состояния Fe - С нанесена на диаграмме состояния Fe - штриховыми линиями (рис.1). Такой способ изображения систе­мы Fe - С дает возможность сравнивать обе диаграммы.

В системе Fe - С эвтектика образуется при 1153°С. Она содержит 4,26% С и состоит из аустенита и графита. Ее называют графитной эв­тектикой.

Ж_ć ↔ А_Е′ + С _(Гр)

Эвтектоидное превращение у сплавов системы Fe - С протекает при температуре 738°С, причем эвтектоидная точка соответствует содержа­нию 0,7% С. Структура эвтектоида состоит из феррита и графита.

А_Е′ ↔ Ф_Р′ + С _(Гр)

Эвтектоид называют графитовым. В интервале 1153 - 738°С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е'S'. Линия С'D' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита.

Рассмотрение диаграммы состояния Fe - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fe – Fе₃С, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Первичный графит и графит в эвтекти­ке кристаллизуются путем образования и последующего роста зародышей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, вы­ходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).

1. 
   Материаловедение / под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во. МГТУ
   

2. 
   Гуляев А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев М.: Металлургия, 1986.