- это геометрическое изображение фазовых равновесий при разных значениях термодинамических параметров: температуры, давления и концентраций компонентов в фазах. В случае систем, не содержащих газовую фазу, слабым влиянием давления на фазовые равновесия обычно пренебрегают, и диаграмму состояния строят в координатах «температура-химический состав».
Диаграммы строятся в координатах температура — концентрация. Для построения диаграммы состояния сплава из двух компонентов необходимо иметь кривые охлаждения двух сплавляемых компонентов, а также любое количество кривых охлаждения сплавов из этих компонентов различной концентрации (чем больше, тем точнее будет построена диаграмма).
Сплавы железа с углеродом, имеющие промышленное применение, называются чугунами и сталями. Наибольшее количество углерода в этих сплавах достигает 6,67%.
Если в сплаве содержится 93,33% Fe и 6,67% С, то при кристаллизации образуется химическое соединение, называемое карбидом железа или цементитом (Fe3C).
Сплавы Fe — Fe3C с содержанием углерода до 6,67% (имеют большое практическое значение).
На рис. 30 показана диаграмма состояния сплавов Fe—Fe3C. По оси ординат отложены температура, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует содержанию 100% Fe, а правая ордината —содержанию 6,67% С или 100% цементита Fe3C.
Температура плавления железа — 1535° С (точка А на диаграмме); температура плавления цементита Fe3C — 1550° С (точка D на диаграмме); температура 910° С (точка G) соответствует аллотропическому превращению железа α ↔ γ; точка Е характеризует максимальную растворимость углерода в γ железе при 1130° С (2,0% С); линия ACD —линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидуса); линия AECF —линия конца кристаллизации сплавов (линия солидуса); линия GSE —линия начала перекристаллизации сплавов в твердом состоянии; линия PSK (температура 723° С) —линия конца превращений структурных составляющих в твердом состоянии.
При затвердевании железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие:
1) Аустенит — твердый раствор углерода в Feγ Он имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и под микроскопом представляется в виде светлых зерен с характерными двойными линиями. Твердость аустенита НВ 220; он немагнитен и при охлаждении сплавов существует только до температуры 723° С.
2) Феррит — твердый раствор углерода в Feα; он имеет кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, его свойства близки к свойствам чистого железа: пластичен (δ=50%); мягок (НВ 80); предел прочности σв= 250 Мн/м2 (25 кГ/мм2); до температуры 768° С он обладает магнитными свойствами.
3) Цементит или карбид железа Fe3C обладает высокими твердостью (НВ 800) и хрупкостью; различают три формы цементита:
а) первичный цементит (Ц1), выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава;
б) вторичный цементит (Ц2), выделяющийся из твердого раствора аустенита;
в) третичный цементит (Ц3), выделяющийся из твердого раствора феррита.
Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц-пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими —частицы третичного.
До температуры 210° С цементит обладает магнитными свойствами.
Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется из аустенита при перекристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8% С. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение, в зависимости от этого его механические свойства колеблются в следующих пределах: НВ 160—230; σв = 630 ÷ 820 Мн/м2 (63—82 кГ/мм2); δ = 15 ÷ 20%.
Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита образуется при температуре 1130° С (точка С на диаграмме) и содержит 4,3% С; он твердый (НВ 700) и хрупкий.
Ледебурит является структурной составляющей белых чугунов.
В зависимости от концентрации углерода и структуры стали и чугуны подразделяют на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура —феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура —перлит; заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,0%); структура —перлит и вторичный цементит; доэвтектические (белые) чугуны (от 2 до 4,3%); структура —ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит; эвтектический белый чугун (4,3% С); структура—ледебурит; заэвтектические белые чугуны (от 4,3 до 6,67% С); структура —ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.
Рассмотренная диаграмма состояния Fe — Fe3C является неравновесной (метастабильной), так как она получена в условиях сравнительно быстрого охлаждения, при которых углерод находится в виде Fe3C.
Если железоуглеродистые сплавы подвергать очень медленному охлаждению или же вводить в них кремний, способствующий графитизации, то вместо цементита в чугунах может быть получен углерод в структурно свободном состоянии в виде графита, являющегося продуктом распада цементита по реакции Fe3C = 3Fe + С. Превращения, протекающие с выделением графита, обозначают на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов штриховыми линиями (см. рис. 30). Диаграмма состояния Fe — С является равновесной (стабильной); по ней получаются серые чугуны, структурным признаком которых является наличие графита, выделяющегося на ферритной основе.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.