Линии, точки, концентрации, температуры

Диаграмма состояния железо – углерод должна, очевидно, охватывать все сплавы от 0 до 100% углерода.

Однако, как правило, приводится небольшой участок системы от железа до ближайшего химического соединения Fe₃C (заштрихованный участок на рис. 4).

Fe Fe₃C Fe₂C FeC C

0 6,67 100%C

Это связано с тем, что практически применяемые сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) содержат углерода не более 5%. Сплавы с большим содержанием углерода являются весьма тугоплавкими и хрупкими, не имеют промышленного значения, исследование их представляет большие трудности.

Углерод в сплавах с железом может кристаллизоваться в зависимости от скорости охлаждения в структурно свободном виде (элементарный углерод-графит) или в связанном состоянии в виде карбида железа Fe₃C (цементит), поэтому рассматривают два варианта диаграммы состояния: система железо – карбид железа (Fe – Fe₃C) и система железо – графит (Fe – С). Диаграмма Fe – Fe₃C представлена на рисунке 5.

Система железо – карбид железа должна рассматриваться как неустойчивая, метастабильная, а система железо – графит – как устойчивая. Диаграмму той или другой системы следует использовать, исходя из реальных условий, в которой были получены сплавы.

В чугунах, рассматриваемых по диаграмме Fe – Fe₃C, весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Все точки на диаграмме состояния имеют общепринятые обозначения, поэтому их необходимо запомнить.

В таблице 1 приведены координаты точек диаграммы состояния системы железо – цементит (по температуре и концентрации), а в таблице 2 перечислены наиболее важные превращения с их условными обозначениями.

Точка А соответствует температуре плавления чистого железа (1539°С), а точка D – температуре плавления цементита (1550–1600°С). Процесс кристаллизации сплавов железо – углерод (в зависимости от содержания углерода) начинается при температурах линии АBCD. Эта линия называется линией ликвидус.

Рис. 5. Диаграмма фазового состояния системы железо – цементит

Таблица 1

Координаты точек диаграммы состояния системы железо – цементит

Точка диаграммы состояния	А	В	С	D	Е	F	G
Температура, ºС
Содержание углерода, % (по массе)		0,5	4,3	6,67	2,14	6,67
Точка диаграммы состояния	H	J	К	М	N	Р	S
Температура, ºС
Содержание углерода, % (по массе)	0,1	0,16	6,67			0,02	0,8

Таблица 2

Наиболее важные превращения в системе железо – цементит

Условное обозначение превращения	Температура и природа превращения
А0	Около 210 ºС; наблюдается только в сплавах с углеродом, связано с переходом карбида железа в ферромагнитное состояние при охлаждении
А1	727 ºС; наблюдается только в сплавах с углеродом, связано с эвтектоидной реакцией Feg ↔ Fea+ Fe3C по линии PSK
А2	Около 768 ºС; связано с переходом железа в ферромагнитное состояние при охлаждении (точка Кюри).
А3	Совершается по линии GS при разных температурах от 911 до 727 ºС в зависимости от содержания углерода, связано с переходом Feg ↔ Fea
Аcm	Совершается по линии SЕ при разных температурах от 1147 до 727 ºС в зависимости от содержания углерода, связано с переходом Feg ↔ Fe3C
А4	Совершается по линии HJ при температурах от 1392 до 1499 ºС в зависимости от содержания углерода, связано с переходом Feg↔

Окончание затвердевания сплавов происходит при температурах линии AHJECF. Эта линия называется линией солидус. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в -железе (2,14%) при температуре 1147°С.

С изменением концентрации углерода в сплаве при температурах, соответствующих участку АС линии ликвидус, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а при температурах, соответствующих участку CD, кристаллизуется цементит, называемый первичным.

В точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и первичный цементит с образованием эвтектики (смеси), называемой ледебуритом.

На участке АЕ линии солидус сплавы с содержанием до 2,14%С кристаллизуются с образованием аустенита. На участке ЕС линии солидус при температурах 1147°С сплавы с содержанием 2,14–4,3%С кристаллизуются с образованием ледебурита и аустенита. На участке CF линии солидус при температурах 1147°С сплавы с содержанием 4,3–6,67% С кристаллизуются с образованием ледебурита и цементита.

После кристаллизации (линия AHJECF) в железоуглеродистых сплавах с понижением температуры происходят структурные превращения. Превращения в твердом состоянии характеризуют линии GS, SE, PSK и PQ. Точка G соответствует полиморфному превращению -железа в -железо при температуре 910°С.

Точка S при 727°С и концентрации углерода 0,8% показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита. При понижении температуры ниже 727°С происходит распад аустенита с одновременным выделением феррита и цементита – образуется эвтектоидная смесь, называемая перлитом.

Точка Р характеризует предельную растворимость углерода в -железе при температуре 727ºС, которая не превышает 0,02%С.

Точка Q является граничной. Все сплавы, лежащие левее ее, состоят только из феррита и называются техническим железом.

Все сплавы, имеющие концентрацию углерода до 0,8% (проекция точки S), называются доэвтектоидными сталями. Они имеют в структуре феррит и перлит. Сплав железа с углеродом, в котором концентрация углерода равна 0,8%, называется эвтектоидной сталью. Структура ее перлитная. Сплавы, в которых концентрация углерода меняется от 0,8 до 2,14% (проекция точки Е), называются заэвтектоидными сталями. Структура их состоит из перлита и цементита. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит при охлаждении и, наоборот, при нагреве. Линия SE (линия сольвуса) показывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14% при 1147°С до 0,8 % при 727°С. С понижением температуры от 1147°С до 727°С из аустенита выделяется избыточный углерод, образуя вторичный цементит. Линия PSK характеризует превращения в результате распада аустенита (температура ниже 727°С) на смесь феррита и цементита, называемую перлитом. Линия PQ (линия сольвуса) показывает уменьшение растворимости углерода в феррите с понижением температуры от 0,02% при 727°С до 0,006% при 20°С. Выделяющийся из феррита избыточный углерод образует цементит, называемый третичным.

Диаграмма железо – графит характеризует стабильное равновесие. Образование графита происходит в чугунах, содержащих большое количество Si. Для удобства при изучении процессов кристаллизации и условий структурообразования (особенно для чугунов) диаграммы метастабильного и стабильного равновесия вычерчивают в одной координатной системе. На рисунке 6 приведен такой вариант размещения диаграмм состояния системы железо – углерод.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Образование углерода в виде графита происходит из жидкого расплава, аустенита либо в результате распада предварительно образовавшегося цементита. На рисунке 6 упрощенная диаграмма состояния железо – графит изображена пунктирными линиями. Значения точек и линий диаграмм состояния системы железо – углерод приведены в таблице 3.

Таблица 3

Значения точек и линий диаграмм состояния системы железо–углерод

Линии, точки	Диаграмма
Fe – Fe3C	Fe – C
ECF	1147 ºC	1153 ºC
POK	727 ºC	738 ºC
О	0,8 % С	0,7 % С
Е	2,14 % С	2,11 % С
С	4,3 % С	4,26 % С

Рис. 6. Метастабильная и стабильная диаграммы состояния системы железо–углерод

Современная диаграмма состояния железо – цементит довольно сложна, поэтому подробно ознакомиться с процессом превращений в железоуглеродистых сплавах удобнее, разделив ее на отдельные части.

сталь железоуглеродистый сплав фазовый превращение