Диаграмма состояния железо-углерод (рис. 7) называется цементит-ной, так как предельное содержание углерода в сплавах ограничено 6,67%. При этом содержании весь углерод находится в связанном состоянии в виде устойчивого химического соединения – карбида железа Fе3С (цементита). Левая температурная шкала диаграммы состояния (ось ординат) соответствует на оси концентраций (ось абсцисс) содержанию углерода 0 %, т.е. чистому железу (первому компоненту), а правая температурная шкала - содержанию 6,67% углерода, т.е. цементиту (второму компоненту)..
Рис. 7. Диаграмма состояния железо – углерод: Ж – жидкость; Φ – феррит; А – аустенит; П– перлит; ЦI. – цементит первичный; ЦII – цементит вторичный; Л – ледебурит; ЦIII – цементит третичный; А1, A2, A3, A4, Aсткритические точки стали#
Рис. 8. Кристаллические решетки цементита (а); аустенита (б); мартенсита (в)
Цементит – это химическое соединение железа с углеродом, имеющее очень сложную кристаллическую решетку (рис. 8,д). Он обладает высокой прочностью, твердостью, хрупкостью, высокой температурой плавления 1250 °С. Железо, наоборот, отличается невысокой прочностью, твердостью, хорошей пластичностью. Железо имеет несколько аллотропических форм, обозначаемых Feα и Feγ (см. рис. 2). Существование каждой аллотропической формы железа отмечено температурным интервалом на левой температурной шкале диаграммы (см. рис. 7). Переход одной аллотропической формы в другую происходит в температурной критической точке. В связи с этим все линии диаграммы состояния железо-углерод начинаются от этих точек A, N, G. Добавление углерода к железу приводит к смещению температурного "положения критических точек железа. В результате взаимодействия железа с углеродом в высокотемпературной области образуется твердый раствор углерода в Feα, называемый ферритом Φ [область ΑΗΝΑ, примыкающая к температурному интервалу существования Feα (или Feα(δ)) 1539-1392 °С]. В интервале средних температур образуется твердый раствор углерода в Feα – аустенит А (область NIKSGN, примыкающая к температурному интервалу существования Fеγ - 1392-911 °С). В интервале низких температур образуется твердый раствор углерода в Feα - феррит Φ (область OGPQO, примыкающая к температурному интервалу существования Feα - 911-20°С). Феррит - твердый раствор внедрения атомов углерода в кристаллическую решетку ОЦК железа Feα. Аустенит - - твердый раствор внедрения атомов углерода в кристаллическую решетку ГЦК железа Feγ (рис. 8,6). 22
На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов наблюдаются области равновесного существования двух смежных фаз: область NHIN и область PGSP – феррита и аустенита (Ф и А), т. е. в железоуглеродистых сплавах аллотропические превращения совершаются в интервале температур.
Температуры плавления железа 1539 °С (точка А). При добавлении к нему углерода температуры начала и конца плавления железа (начала и конца кристаллизации) не совпадают, и на диаграмме состояния появляются двухфазные температурные области, где присутствуют жидкая и твердая фазы одновременно: область ABIHA – жидкость Ж + феррит Ф; область IBCEI – жидкость Ж+ аустенит А; область CDFC - жидкость Ж+ цементит первичный ЦI Цементит называют первичным, так как он выпадает из жидкости. Линия AHIECF, на которой лежат точки начала плавления (конца "кристаллизации), носит название "солидус", а линия ABCD, по которой лежат точки конца плавления (начала кристаллизации),– "ликвидус". На диаграмме состояния точку при 4,3%-ном содержании углерода и температуре 1147°С называют эвтектической (точка эвтектики), так как в этой точке при кристаллизации жидкость распадается на механическую смесь двух кристаллов (аустенита и цементита), называемую эвтектикой. Реакция распада Ж → А +Ц называется эвтектической и происходит у любого сплава при температуре 1147 °С (линия эвтектики на диаграмме состояния). Ниже линии эвтектики железоуглеродистые сплавы в интервале температур 1147–727 °С состоят из двух фаз (аустенита А и цементита Ц), т.е. на диаграмме состояния образуется двухфазная область ECFKSE (А +Ц).
На диаграмме состояния точку при 0,8%-ном содержании углерода и температуре 727 ° С называют эвтектоидной (точка эвтектоида), так как при кристаллизации в этой точке происходит распад аустенита (твердой фазы) на механическую смесь двух новых твердых фаз (феррита Φ и цементита Ц), называемую эвтектоидом. Реакция распада А → Φ + Ц называется эвтектоидной и совершается у любого сплава при температуре 727 °С (эвтектоидная линия на диаграмме состояния).
При эвтектической реакции происходит распад жидкой фазы на две твердые Ж → А +Ц, а при эвтектоидной - распад твердой фазы на две новые твердые А·→ Φ + Ц.
Железоуглеродистые сплавы любых концентраций ниже температуры 727 ° С (эвтектоидной линии) состоят из двух фаз: феррита и цементита - область PSKLQP (Ф + Ц).
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталями, сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% – чугунами. Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют постоянные примеси - марганец, кремний (технологические примеси), сера, фосфор (вредные примеси), а также скрытые, загрязняющие металл (кислород, азот, водород), и случайные (медь, мышьяк, хром, никель и др.) примеси.
По микроструктуре стали делятся на доэвтектоидные при содержании углерода менее 0,8 %, эвтектоидные при содержании углерода ~0,8% и заэвтектоидные при содержании углерода от 0,8 до 2,14% (рис. 9). Сплав с содержанием примесей 0,1–0,2% называют технически чистым железом (см. рис. 9, я). Для научных целей можно получить железо высокой чистоты – около 0,01 % примесей. Микроструктура эвтектоидных сталей представляет собой механическую (эвтектоидную) смесь пластинок феррита и цементита, называемую перлитом (см. рис. 9, г). Перлит образуется по эвтектоидной реакции А → Ф + Ц = П. Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой перлит со скоплением по его границам зерен избыточного феррита (см. рис. 9, б и в). Феррит образуется из аустенита, начиная с линии GS (см. рис. 7), которая является линией переменной растворимости углерода в аустените. Линия QP - линия переменной растворимости углерода в феррите при различных температурах (из феррита выделяется цементит третичный ЦII). С уменьшением содержания в стали углерода количество избыточного феррита увеличивается, а перлита - уменьшается. Микроструктура заэвтектоидных сталей представляет собой перлит с расположенным по его границам вторичным цементитом ЦII в виде тонкой сетки (см. рис. 9, д). Вторичный цементит выпадает из аустенита по линии SE (см. рис. 7), являющейся линией переменной растворимости углерода в аустените при различных температурах. Так как ЦII выпадает из твердой фазы, то его называют вторичным, в отличие от первичного ЦI, выпадающего из жидкости.
Рис. 9. Микроструктура стали и белого чугуна: а – технически чистое железо с содержанием углерода 0,02 % при общем содержании примесей 0,1–0,2 %; б – доэвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,2 %; в - доэвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,7 %, г – эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %; д – заэвтектоидная сталь с содержанием углерода 1,2 %; е – эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3 %; ж – доэвтектический белый чугун с содержанием углерода 3,1 % з – заэвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,8 %
В зависимости от содержания углерода в углеродистых сталях изменяются и механические свойства (рис. 10): с увеличением содержания углерода повышается прочность и понижается пластичность сталей.
Чугуны по микроструктуре, в соответствии с диаграммой состояния железо–углерод, делятся на доэвтектические при содержании углерода от 2,14 до 4,3%, эвтектические при содержании углерода 4,3% и заэвтектические при содержании углерода от 4,3 до 6,67 %. Эти чугуны называют белыми, так как при разрушении их излом имеет матово-белый цвет. Микроструктуру эвтектического белого чугуна называют ледебуритом (см. рис. 9, е), представляющим собой смесь перлита с цементитом (вторичным) ЦII и эвтектическим при температуре ниже 727 °С. Цементит (вторичный) структурно не обнаруживается, так как он объединяется с цементитом эвтектического происхождения. Поэтому считают, что ледебурит Л состоит из -перлита П и цементита Ц (Л = П + Ц). В интервале температур 727–1147° С ледебурит представляет собой смесь аустенита с цементитом (Л = А+Ц). Микроструктура белых доэвтектических чугунов состоит из смеси ледебурита, перлита и цементита (вторичного) (см. рис. 9, ж); микроструктура белого заэвтектического чугуна - из ледебурита и цементита (первичного) (см. рис. 9, з).
Рис, 10. График зависимости механических свойств стали от содержания С:
ΗВ – твердость по Бринеллю; σВ – временное сопротивление; ψ– относительное поперечное сужение; δ – относительное удлинение; KCU –ударная вязкость
Белые чугуны в промышленности не получили применения из-за большой хрупкости вследствие наличия большого количества углерода в виде цементита. Применяют чугуны с включениями графита вместо цементита.