Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Железо-металл, широко распространенный в природе; в земной коре его содержится 5,1%. Плотность железа 7,83, температура плавления 1535° С. Железо имеет две аллотропические модификации: α и γ. На рис. 39 приведена кривая охлаждения железа, на которой имеется несколько горизонтальных участков, соответствующих температурам кристаллизации и алло­тропических превращений.

Кривая охлаждения железа

Кривая охлаждения железа

Горизонтальный участок при 1535° С обусловлен переходом же­леза из жидкого состояния в твердое в модификации α. Высокотем­пературную разновидность Fea, как было сказано выше, называют Feδ. При 1390° Feδ превращается в Feγ. Далее горизонтальный уча­сток на кривой охлаждения, наблюдаемый при 910° С, соответству­ет обратному превращению Feγ в Fea. Остановка при 768° С, как показал рентгеноструктурный анализ, связана не с аллотропическим превращением, а с магнитным. При этой температуре парамагнит­ное железо α — (его называли ранее Feβ) переходит в ферромагнит­ное железо-α; наблюдаемое при этом небольшое увеличение па­раметров решетки Fea обусловлено тепловым расширением.

Температуры аллотропических превращений железа, получен­ные при нагреве и охлаждении, не одинаковы. Например, при на­греве температура превращения Fea в Feγ равна 910°, а при охлаж­дении — 898° С. При очень медленном охлаждении и нагреве тем­пературы превращений совпадают. Разницу в температурах алло­тропических превращений при нагреве и охлаждении называют температурным гистерезисом (переохлаждением, перенагреванием). С повышением скорости нагрева и особенно ско­рости охлаждения температурный гистерезис увеличивается, что имеет большое значение при термической обработке стали. Темпе­ратуры, при которых в железе происходят аллотропические пре­вращения, называют критическими температурами, или критическими точками. Их обозначают буквой А. Чтобы отличить критические точки, полученные при нагреве, от критических точек, полученных при охлаждении (что необходимо сделать в связи с явлением температурного гистерези­са), к букве А добавляют букву — при нагреве с, при охлаждении r и цифру, указывающую порядковый номер превращения.

Таким образом, критические точки, соответствующие превраще­нию Fea в Feγ при нагреве, обозначают Ас3, превращению Feγ в Feδ — Ac4 а эти же критические точки при охлаждении Аr3 и Аr4.

α-Железо и γ-железо имеют разную плотность, магнитные и дру­гие физические свойства. Растворимость углерода в этих модифика­циях железа также различна. При комнатной температуре в Fea может быть растворено до 0,006% С, при 723° С — 0,02% С. Это максимальная растворимость углерода в Fea. При той же темпера­туре (723°) Feγ растворяет 0,8% С. Максимальная растворимость углерода в Feγ наблюдается при температуре 1130° С и составляет 2%. Способность Feγ растворять значительное количество углерода используют при термической и химико-термической обработке стали.

Прочностные свойства технического железа невысокие; предел прочности при растяжении σв = 245 Мн/м2 (25 кГ/мм2), а твердость по Бринеллю 784 Мн/м2 (НВ80). Наряду с этим железо обладает высокими пластическими свойствами (δ = 50%, ψ =80%) и удар­ной вязкостью ан — 0,2 Мдж/м2 (30 кГ·м/см2).

Прочность и твердость железа могут быть повышены путем пластической деформации или упрочняющей термической обработ­ки — закалки и последующего старения. Однако ввиду невысокой прочности и твердости железа, по сравнению со сплавами его с угле­родом (сталями и чугунами), применение технического железа в качестве материала для изготовления деталей машин и конструк­ций ограничено. Благодаря высокой магнитной проницаемости и низкой коэрцитивной силе железо получило распространение в электротехнической и приборостроительной промышленности.

Вторым компонентом железоуглеродистых сплавов является углерод. Углерод имеет две модификации: алмаз и графит. Устой­чивой в обычных условиях аллотропической формой углерода явля­ется графит.

В железоуглеродистых сплавах углерод присутствует в виде графита или в виде химического соединения с железом — Fe3C.

 

Взаимодействие компонентов в сплавах железо-углерод

Сплавы железа с углеродом относят к двухкомпонентным спла­вам. Однако в их составе, кроме основных компонентов — железа и углерода, содержатся примеси (марганец, кремний, сера, фосфор), газы (азот, кислород, водород) и следы других элементов.

Как было указано выше, железо с углеродом образует устойчи­вое химическое соединение Fe3C (93,33% Ре и 6,67% С), называемое карбидом железа, или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с карбидом железа (система Fe — Fe3C), в которых вторым компо­нентом является цементит.

При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет сво­бодного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут карбид железа и углерод; сплавы относятся к системе Fe3C — С, которая исследована недостаточно. Кроме того, железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% в связи с их большой хрупко­стью практически не применяют.

Сплавы системы Fe — Fe3C (с содержанием С до 6,67%), наобо­рот, имеют большое практическое значение. На рис. 40 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe — Fe3C, построенная в координатах температура — концентрация. По оси ординат от­ложены температуры нагрева сплавов в °С, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината на диаграмме соответствует 100%-ному содержанию железа, правая — содержа­нию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe3C). На правой ординате отложена температура плавления Fe3C, соответствующая 1550° (точка D). На левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка A), отложены температуры аллотропических превращений железа: 1390° (точка N) и 910° (точка G).

Структурная диаграмма состояния сплавов железо - цементит

Структурная диаграмма состояния сплавов железо — цементит

Таким образом, компонентам сплава (железу и цементиту) соот­ветствуют ординаты диаграммы, а сплавам разной концентрации (от 0 до 6,67% С) — располагающиеся между ними точки на оси абсцисс.

В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образовываться, что зависит от содержания кремния, мар­ганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe — Fe3C и Fe3C — С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой Fe — С, не имеющей химических соединений.

На диаграмме (см. рис. 40) нанесены сплошные и пунктирные линии: первые соответствуют сплавам системы Fe — Fe3C, когда угле­род выделяется в виде цементита, вторые — сплавам системы Fe — С, когда углерод выделяется в виде графита. Диаграмма состояния, вычерченная сплошными линиями, получила название цементитной, а пунктирными линиями — графитной.

Превращения в сталях как при нагреве, так и при охлаждении обычно происходят в соответствии с цементитной диаграммой, а превращения в чугунах в зависимости от указанных выше условий могут протекать как по цементитной, так и по графитной диаграммам. Следовательно, пределы применимости цементитной диаграммы зна­чительно шире, чем графитной, и поэтому рассмотрению ее будет уделено основное внимание. Прежде чем приступить к изучению диаграммы состояния сплавов Fe — Fe3C, изучим структурные со­ставляющие этих сплавов.

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Металлографический анализ показывает, что в железоуглероди­стых сплавах образуется шесть структурных составляющих:

  • фер­рит;
  • аустенит;
  • цементит;
  • графит;
  • ледебурит;
  • перлит.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода (и других элементов) в Fea. Так как растворимость углерода в Fea незна­чительна, то феррит можно считать практически чистым Fea. Ферриту присуща объемноцентрированная кубическая решетка. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен, различной величины (рис. 41, а). Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен [σв = 245 Мн/м2 (25 кГ/мм2), твердость по Бринеллю 784 Мн/м2 (HB80), δ =50%]. Пластичность феррита зависит от величины его зерен; чем мельче зерна, тем пластичность выше. До 768° (точ­ка Кюри) он ферромагнитен, а выше — парамагнитен.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода (и других элементов) в Feγ Для аустенита характерна гранецентрированная кубическая решетка. Под микроскопом эта структурная составля­ющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двойниками) (рис. 41, б). Твердость по Бринеллю 2158 Мн/м2 (HB220). Аустенит парамагнитен.

Цементиту присуща сложная ромбическая решетка. Под микроскопом эта составляющая имеет вид сетки — светлой после обычного травления (рис. 41, в), темной — после травления пикратом натрия (рис. 41, г) и крупных скоплений (рис. 41, д), а также пластинок или зерен различной величины. Цементит тверд. Твердость по Бринеллю 7848 Мн/м2 (HB800) и хрупок; относитель­ное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выделяю­щийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (первичный цементит, обозначаемый ЦI) и цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита (вторичный цементит, обозначаемый ЦII).

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Кроме того, при распаде α-твердого раствора (область GPQ на рис. 40) выделяется цементит, называемый третичным цементитом, и обозначаемый ЦIII. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц — пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы пер­вичного цементита, наиболее мелкими — частицы третичного це­ментита. До 210° С (точка Кюри) цементит ферромагнитен, а выше ее — парамагнитен.

Графиту присуща неплотноупакованная гексагональная ре­шетка со слоистым расположением атомов. При рассмотрении под микроскопом эта структурная составляющая может иметь различ­ную величину и форму: пластинчатую — в серых чугунах (рис. 41, е), хлопьевидную — в ковких чугунах, шарообразную — в высоко­прочных чугунах. Механические свойства графита очень низки.

Все перечисленные четыре структурные составляющие являются фазами системы сплавов железа с углеродом, так как они однород­ны — твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соедине­ние (цементит) и элементарное вещество (графит).

Структурные составляющие ледебурит и перлит неоднородны. Они представляют собой механические смеси (эвтектику и эвтектоид), обладающие особыми свойствами.

Ледебуритом называют эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристаллизации при 1130°. Это наиболее низкая температура кристаллизации в си­стеме сплавов железа с углеродом. При дальнейшем охлаждении из аустенита (входящего в состав ледебурита) выделяется вторичный цементит и по достижении концентрации С=0,8% при 723° С аусте­нит превращается в перлит. Поэтому ниже 723° С и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из темных округлых включе­ний перлита на фоне светлого цементита (вторичного и входящего в состав ледебурита) (рис. 41, ж). Светлые крупные пластины — выделения первичного цементита. Он очень тверд [твердость по Бринеллю 6867 Мн/м2 (HB700)] и хрупок. Наличие ледебурита яв­ляется структурным признаком белых чугуноз.

Перлитом (рис. 41, з, и) называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется в процессе вторичной кристал­лизации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723° С. Эту критическую температуру называют точкой А1. Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок (рис. 41, з), или зернистое, когда цементит имеет форму зерен (рис. 41, и). Механические свойства пластинчатого и зернис­того перлита несколько различаются. Пластинчатый перлит имеет σв = 804 Мн/м2 (82 кГ/мм2), δ = 15%, твердость по Бринеллю 1863 ÷ 2256 Мн/м2 (HB190 ÷ 230); у зернистого перлита σв = 618 Мн/м2 (63 кГ/мм2), δ =20%, твердость по Бринеллю 1569 ÷ 1863 Мн/м2 (HB160 ÷ 190).

Таким образом, механические свойства железоуглеродистых сплавов изменяются в зависимости от количества структурных со­ставляющих, их формы, величины и расположения.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C сложная, так как в сплавах же­лезо — углерод происходят превращения, не только связанные с первичной кристаллизацией, но и в твердом состоянии (аллотро­пические превращения железа и распад твердых растворов аустенита и феррита). Поэтому вначале рассмотрим первичную, а затем вторичную кристаллизацию этих сплавов.

 

Первичная кристаллизация

Линия ABCD на диаграмме Fe-Fe3C (см. рис. 40) является ли­нией ликвидуса. Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жид­ком состоянии, образуя одну фазу — жидкий раствор. Линия АНJЕСF является линией солидуса; ниже этой линии сплавы су­ществуют в твердом состоянии.

Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы находятся в двух­фазном твердожидком состоянии; наряду с жидким раствором в них присутствует аустенит (область II) или первичный цементит (об­ласть III). В сплавах с содержанием углерода менее 2% после пер­вичной кристаллизации образуется только одна фаза — твердый раствор внедрения углерода в Feγ, называемый аустенитом (об­ласть IV).

На линии ECF, соответствующей постоянной температуре (1130° С) и сплаву с содержанием 4,3% С, будут выделяться одно­временно аустенит и цементит, образуя эвтектику (ледебурит). Таким образом, после первичной кристаллизации в сплавах с со­держанием углерода более 2% образуется эвтектическая смесь ле­дебурита или с избыточным аустенитом (область VII) или с избыточ­ным цементитом первичным (область XIII). При дальнейшем охлаж­дении в области VII из аустенита выделяется цементит вторичный.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,5% при высоких температурах, когда железо существует в виде Feδ (левый верхний угол диаграммы), процесс первичной кристаллизации отличается от описанного выше. При кристаллизации этих сплавов протекают перитектические превращения.

Как уже известно, железо при температурах, лежащих между точками А (точка плавления) и N (соответствующей «точке А4), существует в виде Feδ. В области AHN существует одна фаза — твердый раствор углерода в Feδ, обозначенный на диаграмме бук­вой δ. Растворимость углерода в Feδ невелика и составляет 0,1% при температуре 1486° (точка Н). Выделение δ-твердого раствора из жидкого происходит по линии АВ и поэтому в области AHB при­сутствуют две фазы: жидкий раствор и δ-твердый раствор. При тем­пературе, соответствующей горизонтальной линии HJB (1486° С), в сплавах с концентрацией углерода от 0,1 до 0,5% протекают пери­тектические превращения, которые состоят в том, что жидкий раствор, реагируя с δ-твердым раствором, образует γ-твердый раст­вор. В области HNI существуют оба твердых раствора — δ и γ. Ввиду того, что перитектические превращения протекают в сплавах Fe — Fe3C при высоких температурах и в малом интервале концент­раций углерода, практического значения они не имеют.

Вторичная кристаллизация

В сплавах Fe — Fe3C в твердом состоянии протекают аллотро­пическое превращение Feγ в Fea и распад твердых растворов γ и α, обусловленный изменением растворимости углерода в железе γ и α при понижении температуры. Как известно, Feγ при 910° С (точка G) превращается в Fea — модификацию, которая растворяет углерод в незначительном количестве (0,02% при 723° С). В связи с аллотропическим превращением образовавшийся при первичной кристаллизации аустенит ниже линии PSK диаграммы (см. рис. 40) существовать не может и при медленном охлаждении распада­ется на эвтектоидную смесь перлита или с избыточным ферритом или с избыточным вторичным цементитом. Выделение феррита про­исходит по линии GS, а вторичного цементита — по линии SE. Ли­ния GS является геометрическим местом точек Ас3 при нагреве и и Ar3 — при охлаждении, а линия SE — геометрическим местом точек, соответствующих выделению из аустенита вторичного це­ментита. Эти точки обозначают Acm (cm — цементит). Окончание аллотропического превращения Feγ в Fea и распада твердого раст­вора у у всех сплавов (как сталей, так и чугунов) наблюдается при одной температуре (723° С); точку, соответствующую этой темпера­туре, обозначают А1 (Ас1 — при нагреве и Аr1 — при охлаждении). Кроме указанных превращений, в нижнем левом углу диаграммы ниже кривой PQ (область IX) происходит распад α-твердого раст­вора с выделением из него третичного цементита.

Таким образом, структурная диаграмма состояния сплавов Fe — Fe3C, приведенная на рис. 40 (без превращений, протека­ющих при высоких температурах, о чем было сказано выше, — левый верхний угол диаграммы), состоит из следующих областей:

I — жидкий раствор;

II — жидкий раствор + аустенит;

III — жидкий раствор + цементит (первичный);

IV — аустенит;

V — аустенит + феррит;

VI — аустенит + цементит (вторичный);

VII — ледебурит + аустенит + цементит (вторичный);

VIII — феррит;

IX — феррит + цементит (третичный);

X — перлит + феррит;

XI — перлит + цементит (вторичный);

XII — ледебурит (распавшийся на перлит + цементит) + перлит + цементит (вторичный);

XIII — ледебурит + цементит (первичный);

XIV — ледебурит (распавшийся на перлит + цементит) + цементит (первичный).

В зависимости от содержания углерода и микроструктуры при комнатной температуре сплавы по диаграмме Fе — Fе3С подразде­ляют на две группы: стали и белые чугуны. Границей между ними является концентрация углерода 2%, а структурным признаком — наличие или отсутствие ледебурита. Сплавы с содержанием углеро­да менее 2% (у которых ледебурита нет) называют сталями, а с со­держанием углерода свыше 2% (в структуре которых есть ледебу­рит) — белыми чугунами.

В зависимости от концентрации углерода и структуры, стали и чугуны принято подразделять на следующие группы:

  • доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура — феррит и перлит;
  • эвтектоидная сталь (0,8% С); структура — перлит;
  • заэвтектоидные стали (свыше 0,8 до 2% С); структура — перлит и вторичный цементит;
  • доэвтектические белые чугуны (от 2,0 до 4,3% С); структура — ледебурит (распавшийся на перлит + цементит), перлит и вторич­ный цементит;
  • эвтектический белый чугун (4,3% С); структура — ледебурит;
  • заэвтектические белые чугуны (свыше 4,3 до 6,67% С); структу­ра — ледебурит (распавшийся на перлит + цементит) и пер­вичный цементит.

Это разделение, как видно из диаграммы состояния Fe — Fe3C, соответствует структурному состоянию этих сплавов при комнат­ной температуре.

Рассмотренная диаграмма состояния Fe — Fe3C является не­равновесной (метастабильной), так как получена в условиях обычно применяемого на практике сравнительно быстрого охлаждения или при наличии марганца и серы, при которых углерод присутствует в виде Fe3C. Если железоуглеродистые сплавы подвергать очень медленному охлаждению или вводить в них, например, кремний, способствующий графитизации, то вместо цементита может быть получен углерод в свободном состоянии в виде графита, являющий­ся продуктом распада цементита по реакции Fe3C = 3Fe + C или выделяющийся непосредственно из жидкого раствора.

Диаграмма состояния Fe — С — равновесная (стабильная). По ней изучают серые чугуны, структурным признаком которых слу­жит наличие графита, выделяющегося на стальной основе.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов — важней­шая диаграмма в металловедении и имеет большое практическое значение. Она может быть использована при определении темпера­тур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном деле, температурных интервалов горячей обработки стали давлением, а также температур нагрева стали при различных видах термиче­ской и химико-термической обработки.