Материал: Kushner - Materialovedeniye 2008

Содержание углерода в диаграмме «Железо – углерод» ограничивается 6,67%, т. к. при этой концентрации образуется химическое соединение Fe3C

– цементит. Так как на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода не более 5%, то цементит является вторым компонентом рассматриваемой диаграммы. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение для получения высокоуглеродистых сплавов – серых чугунов.

В сплавах «Fe – C» существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния (рис. 5.1) – метастабильную «Железо – цементит» и стабильную «Железо – графит» (на рисунке показана пунктирными линиями).

Координаты характерных точек диаграммы «Железо – цементит» приведены в таблице 5.1

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, точка D – цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените.

Превращения в сплавах системы «Fe – Fe 3C» происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ABCD (ликвидус) и AHIECF (солидус). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите, при понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твер-

63

дых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените (ES) и феррите (PQ).

В системе «Fe – Fe 3C» происходят три изотермических превращения: при t = 1499 ° С, линия HIB – перитектическое превращение:

ФН + ЖВ → АI;

при t = 1147 ° С, линия ECF – эвтектическое превращение:

ЖС → АЕ + Ц;

при t = 727 ° С, линия PSK – эвтектоидное превращение:

АS → ФР + Ц → П.

Структурными составляющими данной системы являются: феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П), ледебурит (Л).

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Feα, – мягкая, пла-

стичная фаза (σВ = 300 МПа, δ = 40%, ψ = 70%, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02 % (P), в высокотемпературном – 0,1 % (H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ, – более твердый и пластичный (δ = 40–50%, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14% (Е).

Цементит – химическое соединение Fe3C, – имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1250 ° С. Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабоферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, – чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита, и является прочной структурной составляющей

(σВ = 800–900 МПа, δ = 16%, 1800 HB).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147– 727 ° С, а ниже линии SK (727 ° С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до

0,02% С.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14% С. Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.

5.2. Изменения структуры сталей при охлаждении

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматри-

64

ваются превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при охлаждении из однофазной аустенитной области.

По содержанию углерода различают однофазное (сплав I) и двухфазное (сплав II) техническое железо (рис. 5.2).

2

A+Ф

4 P

Ф

5

Ф+ЦIII

Q

Рис. 5.2. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe 3C» для сплавов, не испытывающих эвтектоидное превращение

При охлаждении сплава I от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит.

При охлаждении сплава II после образования феррита (точки 3 – 4), начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ на диаграмме). Структура сплава состоит из феррита и цементита в виде прослоек по границам ферритных зерен.

Рассмотренные сплавы широкого применения в промышленности не имеют.

Широкое промышленное применение имеют стали. Рассмотрим превращения при охлаждении аустенита, содержание углерода в котором находится в пределах 0,02–2,14% ( рис. 5.3).

Рис. 5.3. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe 3C» для сплавов, испытывающих эвтектоидное превращение

65