Характерные линии и области диаграммы

ABCD — линии ликвидус — линия начала процесса кристаллизации Выше линии лик­видус (область I) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему — жидкий раствор.

AHJECF — линия солидус — линия завершения процесса кристаллизации. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твёрдом состоянии. При температурах между линиями ликвидус и солидус происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одно­временно существуют две фазы — жидкий расплав и кристаллы твёрдых растворов.

Рассматривая линию ликвидус ABCD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода С в железе до 4,3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим по­вышением содержания углерода (участок CD) температура плавления сплава увеличивается.

На участке линии ликвидус АВ выделяются кристаллы δ-твёрдого раствора (ферри­та Ф), состав которых определяется линией АН. Состав жидкой фазы изменяется по ли­нии АВ. Предельную растворимость углерода (0,1%) в δ-железе Fe_δ (феррите Ф) при темпе­ратуре 1493°С показывает точка Н.

На участке АН заканчивается кристаллизация феррита Ф. На линии HJB при постоян­ной температуре 1499°С жидкая фаза, содержащая 0,5% С (точка В), реагирует с ранее вы­павшими кристаллами δ-твёрдого раствора (феррита Ф), что приводит к образованию кри­сталлов нового вида. Реакцию подобного вида называют перитектической (перитектическое превращение). В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита А, содержащего 0,18% С (точка J):

L + Ф(δ) → А.

По линии HN начинается превращение феррита Ф(δ) в аустенит А, обусловленное по­лиморфным превращением железа. По линии NJ заканчивается превращение феррита Ф(δ) в аустенит А.

По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают кристаллы аустени­та А переменного состава, с меньшим содержанием углерода (от 0,5 до 2,14%), чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением темпера­туры происходит по линии ВС (линия ликвидус), а выпавших кристаллов — по линии JE (линия солидус). На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита А.

Таким образом, если сплавы содержат до 2,14% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147°С, где жидкая фаза обогащается углеродом до 4,3%. Одновре­менно из расплава выпадают кристаллы аустенита, содержащие 2,14% С (точка Е) и цемен­тита, содержащего 6,67% С (точка F).

На участке ECF при постоянной температуре 1147ºС идёт эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3% углерода превращается в эвтектиче­скую смесь аустенита А и цементита первичного Ц_І:

L₄,₃ → эвт. (А + Ц_I).

Ледебурит (Л) (точка С) — механическая эвтектическая смесь (эвтектика) кристаллов аустенита А и цементита Ц, содержащая 4,3% C. Эвтектика системы железо - цементит на­зывается ледебуритом Л, по имени немецкого учёного Ледебура.

Сплавы, лежащие праве точки С, т. е. содержащие от 4,3 до 6,67% С, кристаллизуются по линии CD. В процессе их кристаллизации выделяется первичный цементит Fe₃C (Ц_I). По мере образования из жидкого расплава первичного цементита (Ц _I) содержание углерода в жидкой фазе уменьшается.

При температуре 1147°С (линия CF) оставшийся расплав содержит 4,3% С и затверде­вает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии CF) состоит из первичного цементита (ЦI) и ледебурита Л.

Сплавы, находящиеся левее точки С, т. е. содержащие до 4,3% С, называются доэвтектическими, а сплавы находящиеся правее от точки С, т. е. содержащие более 4,3% С, — заэвтектическими. Между линиями ликвидус ABCD и солидус AHJECF (области II и III) желе­зоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твёрдой фаз, причём с понижением температуру количество твёрдой фазы увеличивается.

Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита А и ледебурита Л, структура эвтектического сплава — из ледебурита Л и структура заэвтектического сплава — из первичного цементита (Ц _I) и ле­дебурита Л.

Ниже линии солидус AHJECF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдается дальнейшее изменение их структуры, связанное с перекристаллизацией в твёр­дом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением тем­пературы железо переходит из одной модификации в другую (Fe_γ → Fe_α) и растворимость углерода в γ-железе Fe_γ и α-железе Fe_α заметно уменьшается.

По линии PSK при постоянной температуре 727ºС идёт эвтектоидное превращение, за­ключающееся в том, что аустенит А, содержащий 0,8% углерода С, превращается в эвтекто-идную смесь феррита Ф и цементита вторичного Ц_II:

А_0,83 → эвт. (Ф + Ц_II)

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твёрдом состоянии. Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), он содержит 0,8% углерода С. Название такое эта фаза получила за то, что на полированном и протрав­ленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий его образования.

Доэвтектические сплавы (до 2,14% С) в области IV состоят из одного аустенита А При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8% С (левее точки S), ниже линии GOS происхо­дит распад аустенита А с выделением из него избыточного феррита Ф, что обусловлено по­лиморфным превращением железа Fe. Так как феррит Ф, выделяющийся при охлаждении аустенита А по линии GOS, содержит не более 0,02% С (предельная растворимость углерода в α-железе Fe_α, точка Р), аустенит А несколько обогащается углеродом С, изменяя состав по линии GS. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии GOS.

Такой процесс протека­ет до температуры 727°С. В точке S при 0,8% С аустенит А распадается на твёрдую эвтектоидную механическую смесь кристаллов феррита Ф и цементита Ц, называемую перлитом П. Пользуясь правилом отрезков по диаграмме состояния, можно определить соотношение фер­рита Ф и цементита Ц в перлите при 727°С

Q_ф/Q_ц = SK/PS = (6,67 - 0,8)/0,8 =7,3375,

где Q — количество вещества.

Внешне зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Сплавы, содержащие 0,8% С называются эвтектоидными, содержащие менее 0,8% С — доэвтектоидными, и содержащие более 0,8% С — эаэвтектоидными.

При охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более 0,8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита А с выделением из него вторичного цементита Ц_II, обусловленный снижением растворимости углерода в аустените при понижении температу­ры. Так как выделяющийся вторичный цементит Ц_II содержит 6,67% С, концентрация угле­рода в остающимся аустените А изменяются (уменьшается) по линии SE до состава точки S (0,8% С) при 727°С.

Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из аустенита А и ферри­та Ф, а в области IX — из феррита Ф и перлита П. Заэвтектоидные сплавы (0,8 - 2,14% С) в области V состоят из аустенита А и вторичного цементита Ц_II, а в области Х — из вторично­го цементита Ц_II и перлита П.

Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3% С, выше линии PSK, но ниже линии ECF (об­ласть VI) состоят из аустенита А, вторичного цементита Ц_II и ледебурита Л.

По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит превращение аусте­нита А в перлит П; структура сплава состоит из перлита П, цементита Ц и вторичного леде­бурита Л_II. Сплавы, соответствующие эвтектической точке С, ниже линии PSK имеют струк­туру одного ледебурита Л.

Сплавы, содержащие 4,3 - 6,7% С, ниже линии CF, но выше линии PSK (область VII) состоят из цементита Ц и первичного ледебурита Л_I; ниже линии PSK (область XII) сплавы сохраняют эту же структуру.

По линии PG происходит превращение аустенита А в феррит Ф заканчивается. Также в нижней левой части диаграммы линия PQ показывает уменьшение растворимости углерода в α-железе Fe_α (феррите Ф) с понижением температуры. По линии PQ из феррита Ф начинает­ся выделение третичного цементита Ц_ІІІ, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состо­ят из феррита Ф и третичного цементита Ц_ІІІ.

Сплавы, находящиеся внутри области GPQ, состоят только из феррита Ф.

По линии МО при постоянной температуре 768ºС имеют место магнитные превраще­ния сплава.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т. е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются они буквой А (от французского arret — остановка):

А₁ — линия PSK (727ºС) — превращение П ↔ А;

A₂ — линия MO (768ºС, — точка Кюри — магнитные превращения);

A₃— линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение Ф ↔ А;

A₄ — линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве)

— превращение А ↔ Ф ( δ);

A_cm — линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве)

— начало выделения цементита вторичного Ц_ІІ (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных темпера­турах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве до­бавляют букву с, т. е. А_с1, при охлаждении - букву r, т. е. А_r1.

Все сплавы, характеризующиеся диаграммой Fe-C, разделяют на: техническое железо (< 0,006% C), стали (0,006 < C < 2,14%) и чугуны (2,14 <C <6,67%).

Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,2% углерода С (см. рис. 6).