Изучение равновесной диаграммы состояния сплавов системы железо-углерод
Цель работы
Изучение структуры промышленных железоуглеродистых сплавов, находящихся в равновесном состоянии.
Краткая теория
Из всех сплавов, образуемых железом и углеродом, практическое применение нашли лишь сплавы, концентрация углерода в которых находится в пределах 0 – 6,67%. Максимальной концентрации углерода 6,67% соответствует химическое соединение – карбид железа Fe3C (на диаграмме состояния системы Fe-C, представляемой на рис.4.1, это – вертикаль DFK), получившее название цементит и имеющее сложную ромбическую решетку. Поскольку устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, то изучение диаграммы состояний железо-углерод сводится к изучению диаграммы состояния железо-цементит.
В твердом состоянии в этой системе имеются еще две фазы:
Феррит (ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеющий кристаллическую решетку ОЦК. На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ (низкотемпературный феррит) и область AMN (высокотемпературный феррит). Растворимость углерода в феррите не превышает 0,02%. Если образец такого состава приготовляется в виде микрошлифа, т.е. шлифуется, полируется и протравливается в специальных травителях (чаще всего в 4% спиртовом или водном растворе азотной кислоты), то структура такого образца при наблюдении в оптическом микроскопе представляет собой светлые полиэдрические зерна.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в g–железе, имеющий кристаллическую решетку ГЦК. На диаграмме состояния аустенит занимает область NJESG, причем максимальное содержание углерода в нем может достигать 2% (точка Е). В “чистых” железоуглеродистых сплавах аустенит при комнатной температуре отсутствует, т.к. распадается при 7270С на феррито-карбидную смесь, однако при высоком легировании такими элементами, как никель или марганец А сохраняется до комнатных температур, причем его микроструктура при наблюдении в металлографическом микроскопе после электролитического травления в 10% растворе щавелевой кислоты подобна структуре Ф и представляет собой светлые полиэдрические зерна.
Характерным признаком, по которому проводится идентификация структур Ф и А, является наличие в последнем большого количества двойников.
Кроме того, в структуре сплавов системы Fe-C различают перлит (П) – эвтектоидную смесь феррита и цементита, содержащую 0,8% углерода; ледебурит (Л) – эвтектическую смесь аустенита и цементита, содержащую 4,5% углерода.
Рис. . Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод.
В зависимости от содержания углерода все сплавы системы Fe-C делятся на стали (до 2,14% С) и чугуны (свыше 2,14%). В свою очередь, стали в зависимости от содержания углерода делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Структура эвтектоидной стали (состав стали соответствует точке S на оси концентраций) в равновесном состоянии, т.е. после медленного охлаждения аустенита, представляет собой чистый перлит. Перлит бывает пластинчатым или мелкозернистым. При рассмотрении микрошлифа такой стали, протравленного в 4% спиртовом растворе азотной кислоты, в металлографическом микроскопе пластинки перлита выглядят темными.
В доэтектоидных сталях распаду аустенита на феррито-цементитную смесь предшествует выделение феррита по линии GS. Поэтому в этих сталях, кроме перлита, присутствует избыточный феррит. Под микроскопом структура такой стали представляет собой светлые пятна феррита, чередующиеся с темными зернами перлита.
В заэвтектоидных сталях распаду аустенита предшествует выделение избыточного цементита. Обычно он располагается в виде сетки между зернами перлита, причем при увеличении его содержания цементитная сетка утолщается.
Рис. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-C (Fe-Fe3C).
Чугуны подразделяются на белые и серые в зависимости от того, в какой форме содержится в них углерод. В белом чугуне он находится в виде цементита, в сером – в виде графита. Под микроскопом графит выглядит в виде темных прожилок на фоне основы, причем его основа может быть ферритная, феррито-перлитная и перлитная.