Диаграмма железо- углерод

На диаграмме оно представлено перитектической горизонталью HJB (1499°С) с концентрационными точками Н (0,1% С); В (0,5% С) и J (0,16% C).

При температурах ниже линий NJ и JE все стали находятся в однофазном состоянии g-твердого раствора и имеют одинаковую структуру, состоящую из зерен аустенита.

Дальнейшее охлаждение приводит к развитию следующих превращений. В сталях, содержащих <0,8%C, при температурах показанных линией GS, происходит полиморфное превращение g®a. Превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между аустенитом, состав которого изменяется по линии GS и ферритом, состав которого изменяется по линии GP.

Полная перекристаллизация аустенита в феррит происходит в сплавах, содержащих <0,025%C. Температуры конца g®a превращения показаны на диаграмме линией GP. Ниже линии GP структура сплавов состоит из зерен феррита. При температурах, соответствующих линии PQ (линия предельной растворимости углерода в a-железе), содержание углерода в феррите становится предельным и при дальнейшем понижении температуры из феррита выделяется цементит, называемый третичным: a®Fe₃C^III. Структура: a + Fe₃C^III.

В сталях с содержанием от 0,025% С до 0,8% С ниже температур линии GS происходит частичная перекристаллизация аустенита в феррит. Концентрация углерода в аустените при температуре 727°С достигает 0,8%.

Стали, содержащие более 0,8% С, находятся в аустенитном состоянии до температур, отвечающих линии SE. Линия SE соответствует предельной растворимости углерода в g-железе. При температурах ниже линии SE из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным: g®Fe₃C^II. В результате выделения вторичного цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии SE и при 727°С достигает 0,8%.

При температуре 727°С в сталях с содержанием углерода от 0,02% С и более совершается эвтектоидное превращение, которое заключается в распаде аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - смеси феррита (0,025%С) и цементита (6,67%С):

g_0,8%С®a_0,025%С+Fe₃C_6,67%С.

На диаграмме эвтектоидное превращение представлено эвтектоидной горизонталью PSK (727°С) с концентрационными точками S (0,8%C), P (0,025% С) и К (6,67% С).

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (a+Fe₃C).

Важной особенностью аустенита (g) является возможность его существования только при высоких температурах. При понижении температуры происходят следующие превращения: 1) при температурах, обозначенных линией А₃, начинается полиморфное превращение g®a и аустенит частично превращается в феррит; 2) при температурах, соответствующих линии Аc_m, содержание углерода в решетке аустенита уменьшается и выделившийся углерод идет на образование новой решетки Fe₃C (цементита) g® Fe₃C^II; 3) при температуре А₁=727⁰С во всех сталях происходит эвтектоидное превращение g_0.8%С®a_0.02%С +Fe₃C, в процессе которого весь сохранившийся до этой температуры аустенит распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом (П).

В широком интервале температур, независимо от того, какие фазовые превращения происходили при кристаллизации, все стали имеют аустенитную g структуру (рис.3.2.).

При охлаждении сталей в них происходят последовательно разные фазовые превращения аустенита и формируется та структура, которая сохраняется до комнатной температуры и которая определяет свойства стали.

В сталях, содержащих 0,02-0,8% (доэвтектоидных) формирование структуры начинается с выделения феррита из аустенита по реакции g®a в соответствии с линией А_С3. При температуре 727⁰С аустенит распадается с образованием перлита по эвтектоидной реакции g®a+Fe₃C. В стали, содержащей 0,8%С (эвтектоидной) превращение аустенита происходит полностью по эвтектоидной реакции при 727⁰С.В заэвтектоидных сталях (0,8-2,14%С) эвтектоидной реакции предшествует выделение из аустенита вторичного цементита g® Fe₃C^II. Ниже температуры 727⁰С во всех сталях происходит выделение из феррита цементита третичного: g® Fe₃C^III. Однако содержание цементита третичного в эвтектоидных сталях настолько мало, что его можно не учитывать.

Рис. 3.2. Фрагмент диаграммы Fe-C

Таблица 3.2.

Структура сталей при разных температурах

Указанные структурные составляющие обладают разными свойствами:

- феррит – мягкий, пластичный, НВ=800 МПа;

- цементит – твердый, хрупкий, НВ>8000 МПа;

- перлит – достаточно пластичен, НВ=1800-2500 МПа.

Под микроскопом зерна феррита - светлые, перлит имеет пластинчатое строение и, поэтому, выглядит темным. Цементит вторичный в виде тонкой светлой сетки окружает зерна перлита. Цементит третичный в эвтектоидной и заэвтектоидных сталях металлографически не выявляется.

а)	б)
в)	г)
д)
Рис. 3.3. Структура углеродистых сталей: а) 0,2%С; б) 0,45%С; в) 0,8%С; г) 1,3%С; д)видманштеттова структура

Относительно весовое количество структурных составляющих после охлаждения сталей до комнатной температуры подсчитывают по правилу рычага. В доэвтектоидной стали количество феррита и перлита определяется отношением:

где Х - концентрация углерода в стали. Количество цементита третичного в доэвтектоидной стали мало и его обычно не определяют.

Доэвтектоидные до 0,65%С стали используют в качестве конструкционных материалов. Они маркируются цифрами, соответствующими сотым долям процента содержания углерода (20, 30, 45 и т.д.). Стали с содержанием ³0,7%С являются инструментальными и маркируются буквой У с цифрой, соответствующей содержанию углерода в десятых долях процента (У7, У8, У12). Микроструктура некоторых углеродистых сталей представлена на рисунке 3.3. При литье могут кристаллизоваться крупные зерна аустенита из которых при охлаждении образуются крупные зерна феррита и перлита. Часто феррит располагается в виде вытянутых кристаллов с определенной ориентировкой – возникает видманштеттова структура рис. 3.3.д, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью. После например, неполного отжига структура стали становится такой как показано на рис. 3.3. б.