4.4.3. Диаграмма состояния сплавов системы железо−углерод

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом дает возможность определить строении углеродистых сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры, выбрать режимы термической и других видов обработки.

На рис. 4.4.2 представлена упрощенная диаграмма состояния сплавов системы Fe−С (Fe−Fe₃C). Диаграмма построена по содержанию углерода в количестве от 0 до 6,67% или по содержанию цементита от 0 до 100%.

На диаграмме точка A (1539°С) соответствует Т_пл (Т_зат) Fe, а точка D (~1550°С) − Т_пл (Т_зат) цементита. Линия ACD − это линия ликвидуса, которая показывает температуру начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. Выше линии ACD сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF- это линия солидуса, которая показывает температуру конца затвердевания (начала плавления) всех сплавов системы Fe−С.

Рис. 4.4.2. Упрощенная диаграмма состояний соединения «железо-цементит»

По линии ликвидуса АС при температурах, соответствующих этой линии, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит, а на линии CD − первичный цементит Ц_I. В точке С при температуре 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого раствора одновременно кристаллизуются А и Ц_I, образуя эвтектику, называемую ледебуритом.

На линии солидуса АЕ при температурах, соответствующих этой линии, окончательно затвердевают сплавы Fe-С с содержанием углерода до 2,14% и образуется структура аустенита. Сплавы Fe с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Стали - это сплавы железа Fe с углеродом С, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях образуется аустенитная структура.

На линии солидуса ЕС (температура 1147°С) окончательно затвердевают сплавы Fe − С с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%, и образуется эвтектика ледебурита. Поскольку при более высоких температурах из жидкого раствора выделяется аустенит, такие сплавы после затвердевания имеют структуру, представляющую смесь аустенита и ледебурита (А + Ла).

На линии солидуса CF (1147°С) окончательно затвердевают сплавы Fe−С с содержанием углерода от 4,3 до 6,6%. При этом также образуется структура ледебурита. Вследствие того, что при более высоких температурах из жидкого раствора выделяется цементит (первичный), такие сплавы после затвердевания (при 1147°С) имеют структуру, представляющую смесь первичного цементита и ледебурита (Ц_I + Ла).

Таким образом, на линии ECF жидкие сплавы эвтектического состава кристаллизуются с образованием ледебурита, поэтому линию температур ECF называют линией эвтектического равновесия. Ледебурит присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67%. Такие сплавы называют чугунами. Если цвет излома чугуна серебристо-белый, такой чугун называют белым; в нем практически весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Чугуны с включениями графита называют серыми.

В области АСЕ находится смесь двух фаз - жидкого раствора и кристаллов аустенита. В области CDF находится смесь, также состоящая из двух фаз - жидкого раствора и кристаллов цементита (первичного). В области AGSE в результате первичной кристаллизации образуется однофазная структура - аустенит.

При охлаждении твердых сплавов в них происходят фазовые и структурные изменения, связанные с аллотропическими превращениями Fe и изменением растворимости в нем углерода. Эти изменения (фазовые превращения) в сплавах Fe − С характеризуют линии GSE, PSK, GPQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит, а линия GP - конец этого превращения, имеющего место при охлаждении. Поэтому в области GSP будет двухфазная структура, состоящая из аустенита и феррита. Критические точки А₃ лежат на линии GS.

Линия SE показывает, что с понижением температуры твердых растворов растворимость углерода в аустените уменьшается. Если при 1147°С в аустените углерода содержится 2,14%, то при 727°С − 0,8%. В сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% с понижением температуры из аустенита выделяется избыточный углерод, который образует вторичный цементит Ц_II. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру, состоящую из А и Ц_II. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают А_ст.

В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% при 1147°С, как уже отмечалось выше, структура состоит из А и Л. С понижением температуры из аустенита также начнет выделяться вторичный цементит. Поэтому ниже линии ЕС до температуры 727°С белые чугуны имеют структуру, состоящую из А, Л и Ц_II.

На «стальном» участке диаграммы «железо-цементит» точка S (углерода 0,8%) называется эвтектоидной точкой, а линия PSK -эвтектоидной линией. В связи с этим углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются относительно эвтектоидной точки S на эвтектоидные (углерода 0,8%), доэвтектоидные (углерода менее 0,8%) и заэвтектоидные (углерода менее 0,8%).

Линия PSK (727°С) − это линия эвтектоидного равновесия.

Ниже температуры 727°С сплавы Fe−С имеют следующие структуры:

− стали с содержанием углерода 0,8% имеют структуру перлита и называются эвтектоидпыми сталями (структуру см. рис. 10.15, в, г);

− стали с содержанием углерода от 0,02% при 727°С (-0,006% при 20°С) до 0,8% имеют структуру, состоящую из Ф и П, и называются доэвтектоидными сталями . Железо, содержащее углерода 0,02% и менее и имеющее однофазную структуру Ф, называют технически чистым железом (общее содержание примеси не более 0,1 - 0,2%).

− стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру, состоящую из П и Ц_II, и называются заэвтектоидными сталями.

При температуре ниже 727°С микроструктура эвтектоидных сталей состоит только из перлита, доэвтектоидных − из феррита и перлита, заэвтектоидных − из перлита и цементита вторичного.

На «чугунном» участке диаграммы точка С (углерода 4,3%) называется эвтектической точкой, а линия ЕС - эвтектической линией.

Чугуны по аналогии с углеродистыми сталями в зависимости от содержания углерода, но уже относительно эвтектической точки С, подразделяются на эвтектические (углерода 4,3%), доэвтектические (углерода менее 4,3%) и заэвтектические (углерода более 4,3%). При температуре ниже 727°С структура эвтектических чугунов состоит из эвтектики ледебурита низкотемпературного (Л_п), доэвтектических чугунов − из перлита и ледебурита (Л_п) и заэвтектичеекпх чугунов − из ледебурита (Л_п) и цементита первичного (Щ,

Белые чугуны с содержанием углерода 4,3% имеют структуру ледебурита, представляющего при температурах ниже 727°С смесь П и ЦЛа, а выше 727°С − смесь А и Ц(Лп). Называют эти чугуны эвтектическими. Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% ниже температуры 727°С имеют структуру, представляющую смесь П, Лп и Ц_II, называются доэвтектическими чугунами (см. рис. 10.16, а). Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% ниже 727°С имеют структуру, состоящую из смеси Ц_I и Лп. Их называют заэвтектическиыи чугунами.

Таким образом, при температуре 727°С происходит окончательный распад аустенита и превращение его в перлит.

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,006% при комнатной температуре и из феррита выделяется углерод и виде третичного цементита Ц_III. В большинстве сплавов Fe − С третичный цементит структурно не выявляется. Линия МО (температура Кюри равна 768°C) показывает, что при нагревании ферромагнитный феррит переходит в парамагнитный, а при охлаждении наоборот.

Для равновесных сплавов (т.е. отожженных образцов) системы Fe − С при Т< 727°С, включая комнатную, все структуры, охватываемые диаграммой Fe−С при содержании углерода от 0% (0% Fc₃C) до 6,67% (100% Fe₃C), состоят только из двух фаз − феррита и цементита, находящихся в них в разных количественных соотношениях.