Диаграмма железоуглеродистых сплавов

Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации.

Сплавы на основе железа – стали и чугуны – содержат постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор и серу. Однако в допустимых пределах они не оказывают существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, поэтому данные сплавы рассматриваются как сплавы двойные и для них строят диаграмму из двух компонентов (бинарную) – железа и углерода.

Технически чистое железо содержит 99,8 – 99,9 % Fe. Температура его плавления – 1539°С, плотность альфа-железа – 7,68 г/см³. Прочность низкая – 245 МН/м² (25 кгс/мм²), пластичность высокая: d = 50 %, Y = 80 %. Критические точки железа представлены на рис. 12. Железо с углеродом образует цементит – химическое соединение карбид железа Fe₃C, содержит углерода 6,67 %. Температура его плавления точно не определена и находится в пределах 1500 – 1600°С. До температуры 210°С цементит ферромагнитен. Имеет высокую твердость (НВ800), но низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При высоких значениях температуры цементит неустойчив и распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Диаграмма состояния строится в координатах «температура – концентрация». На вертикальных осях (ординатах) откладывают значения температуры: на левой – температуру плавления (кристаллизации) железа, на правой – температуру плавления (кристаллизации) цементита. На горизонтальной оси диаграммы откладывается процентное содержание компонентов: в начальной точке – 100 % железа и 0 % углерода, затем концентрация углерода увеличивается, а железа – уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании углерода 6,67 %, что соответствует химическому соединению цементиту, который выступает в роли второго компонента системы. Сплавы с большим содержанием углерода практического значения не имеют и поэтому не рассматриваются.

Затем с построенных кривых охлаждения сплавов их критические точки переносятся в координаты «температура – концентрация» и соединяются линиями. Следовательно, линии диаграммы состояния сплавов любой системы – это совокупность критических точек этих сплавов. Только у диаграммы системы «железо – цементит» все точки и линии имеют единое в мире обозначение, а структурные составляющие сплавов – единые названия.

Начало изучению железоуглеродистых сплавов с помощью созданной им диаграммы состояния положил великий русский металлург Д. К. Чернов, открывший в 1868 г. критические точки стали.

Диаграмма состояния сплавов «железо – цементит» (в упрощенном виде) представлена на рис. 22. На левой ординате точка А (1539°С) соответствует температуре плавления (кристаллизации) железа, а точка D (1600°С) на правой ординате – температуре плавления (кристаллизации) цементита. Линия АСD – линия ликвидус, показывающая значения температуры начала кристаллизации (конца плавления) всех сплавов. При температуре выше линии ликвидус АСD все сплавы жидкие.

Линия AECF – линия солидус, показывающая значения температуры конца кристаллизации (начала плавления) сплавов. При температуре ниже линии АECF сплавы в твердом состоянии.

Рис. 22. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

При охлаждении на линии АС из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. В области диаграммы АСЕ сплавы будут состоять из двух фаз – жидкого раствора и кристаллов аустенита.

На линии АЕ кристаллизация закончится, и ниже сплавы будут иметь аустенитную однофазную структуру. Точка Е указывает максимальную (предельную) растворимость углерода в аустените – 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода до 2,14 %, лежащие левее точки Е, называются сталями.

После окончания процесса первичной кристаллизации все стали будут иметь структуру аустенита – твердого раствора углерода в гамма-железе, но гамма-железо существует только выше температуры 910°C (см. рис. 12). При понижении температуры оно превращается в немагнитное бета-, а затем – в магнитное альфа-железо с образованием нового твердого раствора – феррита (начинается перекристаллизация сплавов). Под влиянием углерода температура этого превращения понижается от 910 до 727°C – линия GS диаграммы. Следовательно, в сталях, содержащих менее 0,8 % углерода, полиморфное превращение гамма-альфа-железо протекает в интервале температур и сопровождается диффузионным перераспределением углерода между аустенитом и образующимся ферритом.

Ниже линии GS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна, и поглощают зерна аустенита. Количество аустенита уменьшается, а содержание углерода в нем возрастает. Ниже линии GP существует только феррит. Структура феррита показана на рис. 23, а. Ферритные зерна не травятся спиртовым раствором азотной кислоты, отражают лучи света и под микроскопом выглядят светлыми. Протравливаются границы зерен, что позволяет судить об их форме, размерах и взаимном расположении.

Точка Р диаграммы (727°C), представленной на рис. 22, соответствует максимальному содержанию углерода в феррите – 0,025 %. При дальнейшем охлаждении по линии PQ из феррита выделяется цементит третичный, так как линия PQ наклонная. В точке Q (0°C) – минимальная растворимость углерода в феррите – 0,006 %. Выделяясь по границам зерен, третичный цементит резко снижает пластичность феррита.

Понижение температуры вызывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14 % при температуре 1147°C (точка Е диаграммы) до 0,8 % при температуре 727°C (точка S). Следовательно, линия SE – линия предельной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии из аустенита выделяется цементит. Цементит, образующийся из твердого раствора, при вторичной кристаллизации называется вторичным цементитом. Выделяясь сплошной сеткой по границам зерен аустенита, цементит вторичный охрупчивает сталь. В результате этих превращений в области GSP диаграммы сплавы двухфазные – аустенит и феррит, а в области ниже линии SE – аустенит и цементит вторичный.

а б

в г

Рис. 23. Микроструктура сталей: а – феррит (´ 300);

б – доэвтектоидная: Ф + П (´ 150); в – эвтектоидная: П (´ 1200);

г – заэвтектоидная: П + Ц_II (´ 600)

В точке S, где пересекаются линии GS и SE, происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси кристаллов феррита и цементита вторичного, которая называется перлитом.

Точка S – эвтектоидная точка диаграммы, а линия PSK (температура – 727°C), проходящая через эту точку – линия эвтектоидного (перлитного) превращения.

Ниже температуры 727°C стали, содержащие углерода менее 0,8 %, со структурой феррит и перлит называются доэвтектоидными сталями. Микроструктура доэвтектоидной стали с 0,6 % углерода показана на рис. 23, б (светлые участки – зерна феррита, темные – зерна перлита).

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Двухфазная структурная составляющая эвтектоидной стали перлит представлена на рис. 23, в. При большом увеличении хорошо видно пластинчатое строение кристаллов цементита на светлом фоне феррита.

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % со структурой перлит и цементит вторичный называются заэвтектоидными сталями. Микроструктура заэвтектоидной стали показана на рис. 23, г. На микрофотографии хорошо видны светлые кристаллы цементита вторичного пластинчатой формы по границам зерен перлита.