Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

Цементит – (карбид железа) - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C , содержащее 6,67 % углерода. Цементит магнитен, обладает высокой твердостью (твердость по Бринеллю равна при­мерно НВ 8000 МПа ) и хрупкостью. Цементит в сплавах железа с углеродом повышает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. При комнатной температуре в феррите растворяется около 0,01 % углерода. С повышением температуры растворимость углерода в феррите возрастает и достигает 0,02 % (при 727°С). Феррит обла­дает, высокой пластичностью, низкими твердостью (НВ 700... 800 МПа) и прочностью (σ_в = 250 МПа) и высокими магнитными свойствами, которые сохраняются при нагревании до температуры 768 °С.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо. Максимальная, растворимость состав­ляет 2,14 % (при 1147 °С), минимальная – 0,8 % (при 727 °С). Аустенит немагнитен, обладает большой пластичностью при высоких температурах, твердостью HB 2000 МПа.

Перлит – эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз – феррита и цементита. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и равно 0,8 %. Твердость пластинчатого перлита НВ состав­ляет 2000... 2500, а зернистого 1600... 2200 МПа.

Ледебурит – эвтектическая смесь, которая образуется из жид­кой фазы концентрацией углерода 4,3% при тем­пературе 1147 °С. В диапазоне температур 1147...727 °С ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита; при температурах ни­же 727 °С ледебурит также представляет механическую смесь, но сос­тоящую уже из перлита и цементита. Содержание углерода в ле­дебурите всегда постоянно и составляет 4,3 %. Твердость ледебурита HВ достигает 7000 МПа.

На диаграмме показаны следующие линии:

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии;

AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии;

AC и CD линии температур начала первичной кристаллизации соответственно аустенита и цементита;

AE – линия окончания первичной кристаллизации стали;

ECF – линия окончания первичной и начала вторичной кристаллизации чугуна;

GSE – линия начала вторичной кристаллизации стали;

GPSK – линия окончания вторичной кристаллизации стали;

SK – линия окончания вторичной кристаллизации чугуна;

Ниже линии PSK никаких структурных изменений не происходит.

Рассмотрим превращения, протекающие в характерных железоуглеродистых сплавах при охлаждении (рисунок 2).

Рисунок 2

Сплав I(доэвтектоидный: 0,02…0,8 % углерода). Жидкость в процессе первичной кристаллизации в интервале ликвидус (1) — солидус (2)превращается в аустенит. Затем охлаждение аустенита (2—3), который при температуре 3 начинает превращаться в феррит. Это превращение продолжается при охлаждении в интервале 3—4, но до конца не происходит. В процессе превращения количе­ство феррита увеличивается и достигает при температуре 4 относи­тельного количества. В результате при температуре 4 (727 °С) оставшийся аустенит имеет эвтектоидный состав и превращается в перлит. Окончательная структура сплава — феррит и перлит (Ф + П).

Сплав II(эвтектоидный: 0,8 % углерода). Химический состав этого сплава соответствует содержанию углерода в эвтектоиде – пер­лите. Поэтому после всех превращений, протекающих в интервале температур 1—3 и аналогичных превращениям в сплаве I,весь ау­стенит при температуре 3 (727 °С) превращается в перлит (феррито-цементитную эвтектоидную смесь), который и сохраняется при дальнейшем охлаждении.

Сплав III(заэвтектоидный: 0,8…2,14 % углерода). Первичная кри­сталлизация протекает в интервале температур 1—2 аналогично сплавамIиII и приводит к образованию аустенита, который в дальнейшем охлаждается до температуры 3. При дальнейшем охла­ждении в интервале температур 3—4 из аустенита выделяется вто­ричный цементит. Аустенит превращается в перлит при температуре 4 (727°С). При дальнейшем охлаждении сохраняется структура, состоящая из перлита и цементита вторичного (П + Ц_II).

Сплав IV(доэвтектический: 2,14…4,3 % углерода). Первичная кристаллизация начинается на ликвидусе (1) с выделения из жидко­сти аустенита. При охлаждении в интервале температур 1—2 его ко­личество увеличивается. В результате первичная кристаллизация завершается при температуре 2 (1147 °С) эвтектиче­ским превращением; оставшаяся жидкость затвердевает в ледебурит аустенитовый. После кристаллиза­ции сплав имеет структуру: аустенит и ледебурит аустенитовый (А + Л_А). При дальнейшем охлаждении в интервале 2—3 из аустенита выделяется цементит вторичный. При температуре 4 (727°С) аусте­нит превращается в перлит. Поскольку это превращение претерпевает и аустенит, вхо­дящий в состав ледебурита, то ледебурит аустенитовый становится ледебуритом перлитовым. Окончатель­ная структура сплава после охлаждения — перлит, ледебурит перли­товый и цементит вторичный (П + Л_П + Ц_II).

Сплав V(эвтектический: 4,3 % углерода). Поскольку сплав по своему химическому составу является эвтектическим, то вся жид­кость при температуре 1 (1147 °С) кристаллизуется с образованием ледебурита аустенитного. При дальнейшем охлаждении при темпе­ратуре 2 (727 °С) ледебурит аустенитовый (Л_А) превращается в леде­бурит перлитовый (Л_П) по тем же причинам, что и в сплавеIV.

Сплав VI(заэвтектический: более 4,3% углерода). Первичная кристаллизация при температуре 1 начинается с выделения из жид­кости цементита первичного, содержащего повы­шенное количество углерода (6,67 %). При охлаждении в интервале 1—2 количество цементита увеличивается, а количество жидкости уменьшается. Первичная кристаллизация закан­чивается при температуре 2 (1147 °С). Оставшаяся к концу кристаллизации жидкость пре­вращается в ледебурит аустенитовый, который при дальнейшем ох­лаждении при температуре 3 (727 °С) превращается в ледебурит пер­литовый аналогично тому, как это было в сплавах IV и V. Структу­ра, сформировавшаяся в результате рассмотренных превращений, представляет собой смесь ледебурита перлитового и цементита пер­вичного (Л_П + Ц_I).