Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на техническое железо (до 0,02% С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67% С). Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С — эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С — заэвтектическим.
Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.
Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.
Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3. Имеет полиморфные модификации. С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.
|
|
В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.
Содержание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727°С (точка P). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Feα (т.е. в Feδ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом. Атомы углерода располагаются в центре грани или на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.
При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I).
Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.
Рис. 1 Феррит
Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой.
Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С, точка Е).
Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.
При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.
Рис. 2. Аустенит
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe3C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.
|
|
В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:
— цементит первичный (выделяется из жидкости),
— цементит вторичный (выделяется из аустенита),
— цементит третичный (из феррита),
— цементит эвтектический и
— эвтектоидный цементит.
Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен.
Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.
Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.
Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.
Рис.3. Цементит
Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.
|
|
Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).
Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в графитизированных сталях.
Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом.
Рис. 3 Пластинчатый перлит
Рис. 4 Зернистый перлит
Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).
Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.
Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.
Диаграмма Fe-Fe3C. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.
Рис. 5. Диаграмма состояния железо – углерод
В до - и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.
По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).
Фазовые и структурные изменения после затвердевания связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.
В доэвтектоидных сплавах (%С < 0,8%) ниже линии GOS g-решетка аустенита перестраивается в a-решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений. В температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита.
По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK (727 ºС), где происходит эвтектоидное превращение. Эвтектоидное превращение заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита. Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Линия PSK – линия эвтектоидных превращений.
После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше феррита и больше перлита.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в a-железе. Из феррита выделяется цементит третичный. Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в a-железе – 0,02%.
Линия МО – линия магнитных превращений. Сталь при нагреве становится немагнитной, никаких структурных изменений при этом не происходит.
В заэвтектоидныхсталях (0,8 < %С < 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в g-железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в g-железе).
По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.
После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.
В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.
Рис.6. Структура до- и эвтектоидной сталей
Перлит с пластинчатым цементитом обладает твердостью 200 – 230 НВ, пределом прочности 800 – 900 МПа, относительным удлинением 10%.
В доэвтектических чугунах ниже 1147°С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).
При 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру перлит + цементит вторичный + ледебурит, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун содержит углерода больше 4,3% и после затвердевания его структура – цементит + ледебурит.
Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727°С одинаков; они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.
При температурах ниже эвтектоидной P'S'K' стабильным является двухфазное Ф+Г состояние сплавов, а ниже линии PSK возможно существование и метастабильного состояния Ф+Ц. Так как с понижением температуры ниже эвтектоидной растворимость углерода в феррите уменьшается (по линии P'Q ' или PQ) практически до нуля, то при комнатной температуре сплавы находятся в двухфазном состоянии Ф+Г (стабильное равновесие) или Ф+Ц (метастабильное равновесие). Эвтектоидный состав Ф+Ц называют перлитом.
Рис.7. Структура белых чугунов эвтектического, заэвтектического и доэвтектического составов
Задание.
1. Нарисовать диаграмму железо-цементит.
2. Описать процессы кристаллизации сплавов с различным содержанием углерода (0,16; 0,8; 2,5 и 4,3%).
Контрольные вопросы
1. Назовите компоненты, фазы и структурные составляющие диаграммы.
2. Что такое феррит, аустенит, перлит, ледебурит и цементит?
3.Расскажите свойства микроструктуру фаз и структурных составляющих диаграммы.
4. Что такое линии ликвидус и солидус?