Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.
Диаграмма состоянияпредставляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов и критических точек в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.Равновесными являются такие условия, при которых процессы, протекающие в системе, обратимы.
Диаграмму состояния строят в координатах температура — концентрация. Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа в координатах температура — время (так же, как для металлов). Особенности поликристаллического строения сплавов в твердом состоянии изучаются с помощью оптического микроскопа обычно при 100—1000-кратном увеличении. Атомная структура сплавов и параметры кристаллических решеток определяются методом рентгеноструктурного анализа.
Железо с углеродом могут образовывать одно- и двухфазные системы.
К однофазным системам железоуглеродистых сплавов относятся:
- феррит– твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Максимальная растворимость С в феррите 0,006 % при 20 °С и 0,02 % при 727 °С, то есть феррит – практически чистое железо. Феррит магнитен, имеет низкую твердость и прочность (80 - 100 НВ; б = 250 МПа), высокую пластичность;
- аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % при температуре 1147 °С. Немагнитен и более твердый (160 – 200 НВ) и прочный.
- цементит (карбид железа) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода; он имеет очень высокую твердость (800 НВ) и очень хрупкий.
- графит – кристаллическая разновидность углерода.
Двухфазными системами железоуглеродистых сплавов являются:
- перлит – механическая (эвтектоидная) смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при температуре 727 °С и содержит углерода 0,8 %, характеризуется своеобразной зернистой структурой и высокой прочностью, твердость 200 – 220 НВ.
- ледебурит – механическая (эвтектическая) смесь, состоящая после образования из аустенита и цементита, а после охлаждения – из перлита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3 % С) при температуре 1147 °С, имеет очень высокую твердость – 800 НВ и хрупкость.
Диаграмма сплавов железа с углеродом включает сплавы, содержащие от 0 до 6,67 % углерода (100 % Fe3C), так как сплавы с более высоким содержание углерода не имеют практического применения. Такую диаграмму часто называют железо-цементит.
На оси абсцисс откладывают содержание углерода и соответствующее ему содержание цементита, по оси ординат – температуру в градусах Цельсия. Левая ордината соответствует 100 %-ному содержанию железа, правая – 6,67 %-ному содержанию углерода, то есть 100 %-ной концентрации цементита. Буквенные обозначения характерных точек диаграммы общеприняты в международной практике.
На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (1600 °С) — температуре плавления (затвердевания) цементита. Выше линии ACD все сплавы представляют собой однофазный жидкий сплав. Эта линия называется линией ликвидуса (с греч. — жидкий), показывающая температуры начала затвердевания сталей и чугунов. Линия АЕСF называется линией солидуса (с греч, — твердый). Ниже линии АЕСF все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой; с греч. -— легко плавящийся). В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом.
По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса СD — цементит, называемый первичным цементитом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образованием аустенита.
Стали— это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С.
Чугуны— это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14 % С.
В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSЕ, РSК, РQ. Процесс выделения кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).
Линия РSК (727 °С) — линия эвтектоидного превращения, то есть превращения сплавов в твердом состоянии. Наэтой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом, или эвтектоидной сталью.
Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали с содержащие менее 0,8 % С — феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8 % С — перлит, называютэвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8-2,14 % С — перлит и цементит (вторичный), называютзаэвтектоидными сталиями.
Диаграмма состояния имеет большое практическое значение. По диаграмме можно определить температурный интервал ковки или объемной штамповки сплава, температуру нагрева для проведения термической обработки, температуру начала и конца заливки металла в литейные формы и другие технологические параметры.