Превращения в сплавах системы железо-цементит

7.2.1. Фазовый состав

Диаграмма состояния Fe – Fе₃С (см. рис. 58) характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe – Fе₃С. Особенность диаграммы - наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы следующие: точка А (1539 °С) определяет температуру плавления, а точки N (1392 °С) и G (911°С) соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H (0,1 % С)и P (0,02 % С)характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е (2,14 % С)определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fe – Fе₃Спроисходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECFD). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (вертикальная линия DFKQ).Выделяющийся из расплава цементит называют первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD – линия выделения первичного цементита, ES – линия выделения вторичного цементита (принято критические точки, соответствующие линии ES, обозначать А_сm); PQ – линия выделения третичного цементита. В системе Fe – Fе₃С происходят три изотермических превращения:

· перитектическое превращение на линии HJB (1499°С):

Ф_Н + Ж_В ⇄ А_J ;

· эвтектическое превращение на линии ECF (1147°С):

Ж_С⇄ А_Е + Ц;

· эвтектоидное превращение на линии PSK (727°С):

А_S ⇄ Ф_P + Ц.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом. Эвтектоид - перлит (0,8 % С) и эвтектику – ледебурит (4,3 % С)рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σ_в = 800...900 МПа; σ_0,2 = 450 МПа; δ≤ 16 %; твердость 180...220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии РSK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 - 25 °С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита (превращенный ледебурит). В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие от 0,02 до 2,14 % С и чугуны, содержащие выше 2,14 % С. Различают доэвтектоидные стали, расположенные по составу левее точки S диаграммы, т. е. между точками Р и S,и заэвтектоидные стали, находящиеся правее точки S, т. е.между точками S и Е диаграммы. Сплав железо - углерод, отвечающей точке S , называется эвтектоидной сталью. Чугун может быть доэвтектическим, расположенным по составу между точками Е и С диаграммы, и заэвтектическим, лежащим по составу между точками С и F диаграммы. Отметим, что на практике содержание углерода в заэвтектических чугунах обычно не превышает 5 %. Чугун, состав которого отвечает составу точки С, называется эвтектическим.

Структура чугунов может формироваться как по метастабильной, так и по стабильной диаграмме железо - углерод. Чугуны, структура которых образуется по метастабильной диаграмме Fe – С, называют белыми чугунами, а чугуны, кристаллизующиеся по стабильному варианту диаграммы Fe – С, - серыми чугунами.

Эти названия чугуны получили по виду излома. Излом белых чугунов блестящий, кристаллический, а у серых чугунов - матовый, что обусловлено наличием в их структуре графита.

7.2.2. Кристаллизация сталей