Диаграмма состояния железо-цементит
. Для изучения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов рассмотрим диаграмму железо — цементит (рис. 5).
По диаграмме можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева. Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие.
Однофазные составляющие. Феррит— твердый раствор углерода в α-железе — Fеа(С). Максимальная растворимость углерода в феррите около 0,006% при 20°С и 0,02% при 7270 С. Кристаллическая решетка — объемноцентрированный куб. Феррит —- твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа α. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80-100НВ.
Аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе — Fеγ (С). Максимальная растворимость углерода в аустените при 1147 0С равна 2,14%. Кристаллическая решетка — гранецентрированный куб. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита около 200НВ.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом — Fе3С. Цементит имеет сложную (ромбическую) кристаллическую решетку, очень высокую твердость, весьма хрупок.
Двухфазные структуры.Перлит (эвтектоид) представляет собой смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном
Рис.3
1 – печь; 2 – жидкий металл; 3 – тигель; 4 – горячий спай термопары; 5 – термопара; 6 – колпачок; 7 – холодный спай термопары;
8 – гальванометр.
Рис.4
Кривые охлаждения: а – чистого металла; б, в - сплава
Рис.5
охлаждении из аустенита при температуре 727°С и содержит 0,8% углерода. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой:
А0.8 → П (Ф0,02 + Ц6,67)
В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость, соответственно 200— 220НВ.
Ледебурит (эвтектика) — смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3%С) при температуре 1147 °С. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой:
ЖР4,3 →Л(А2,14+Ц6,67).
Ледебурит имеет очень высокую твердость (800НV), очень хрупок.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали и чугуны.
Сталяминазываются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называются доэвтектоидными, 0,8% —эвтектоидными и больше 0,8% — заэвтектоидными.
Чугунаминазываются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% — эвтектическими и содержащие более 4,3% — заэвтектическими.
Первичная кристаллизация сплавов системы железо — углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии АСD(линия ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию АЕСF (линия солидус).
При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии СD начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным.
В точке С при температуре 1147 °С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии AЕСFобразованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов чуть ниже 1147 °С будет: до-эвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный) + ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GSсоответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕSпоказывает температуру начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727 0С и концентрации углерода в aустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита.
Точка P соответствует максимальной растворимости углерода в α-железе при температуре 727 °С; она составляет 0,02%С.
Линия РQпоказывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,006% углерода (точка Q),являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,006% до 0,02%, состоят из феррита и
цементита третичного и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 7270С имеют структуру феррит + перлит, эвтектоидные – перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит.
В доэвтектических чугунахв интервале температур 1147—727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия SE) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S),превращается в перлит.
При этом превращение претерпевает как структурно свободный аустенит, так и входящий в ледебурит, т.е. происходит превращение ледебурита аустенитового в ледебурит перлитовый. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из цементита вторичного, перлита и ледебурита перлитового.
Структура эвтектических чугунов при температуре ниже 727 °С состоит только из ледебурита перлитового.
Структура заэвтектических чугунов при температуре ниже 727 °С состоит из ледебурита перлитового и цементита первичного.