Диаграмма состояния железо-углерод
Даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Впервые на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода указал Дмитрий Константинович Чернов.
n Это наглядное универсальное графическое изображение физико-химических процессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах (чугун и сталь)
n Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.
В системе железо – углерод существуют следующие фазы:
n жидкая фаза,
n феррит,
n аустенит,
n цементит.
- Жидкая фаза.
В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железо
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02% при температуре 727° С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ) и пластичен,магнитен до 768° С.
3. Аустенит (γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.
n Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
n Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727° С (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147° С (точка Е).
n Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.
4. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67% углерода.
железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы:
n цементит первичный,
n цементит вторичный,
n цементит третичный.
Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
5. Перлит — механическая смесь феррита и цементита, содержащая С=0,8%
n подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен.
n Эту смесь называют эвтектоидной, так как образовалась в процессе распада твердого раствора Аустенит.
n По механическим свойствам перлит занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. При травлении шлифов сталей и чугунов с большим содержанием перлита в структуре их поверхность имеет вид перламутра, что и явилось основанием для его названия.
6. Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита.
Диаграмма состояния сплавов Fe — С
в диапазоне концентраций от чистого железа до цементита представлена на рис. 1
По вертикальной оси диаграммы отложены значения температуры, а по горизонтали — процентное содержание углерода в сплавах.
Обычно указываются две шкалы: одна — доля углерода от 0 до 6,67 %, где 6,67 — наибольшее содержание углерода, соответствующее его содержанию в цементите (Fe3C), а другая — содержание Fe3C в сплаве (от 0 до 100%)
Все сплавы на диаграмме в зависимости от содержания углерода подразделяют на две группы:
n сплавы с 0... 2,14 % С образуют класс ковких железоуглеродистых сплавов — стали.
n Стали, содержащие С<0,8 называются доэвтектоидными;
n Стали, содержащие С=0,8 называются эвтектоидными;
n Стали, содержащие С>0,8 называются заэвтектоидными.
Сплавы с 2,14... 6,67 % С имеют более хрупкую структуру и образуют группу чугунов.
Сплавы с еще большим содержанием углерода (выше 6,67 %) практического применения не находят из-за высокой хрупкости и малой прочности.
n ACD — линия начала кристаллизации (ликвидуса);
n AECF — линия конца кристаллизации (линия солидуса);
n GSE и PSK — линии перехода a-железа в g-железо при нагреве;
n QPG — область однофазной ферритной структуры.
Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры.
Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539 °С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение:
n Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки,
n при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка),
n а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.