Теоретические сведения

Диаграмма сплавов железа с углеродом дает представление о превращениях, строении и области существования сталей и сплавов в зави­симости от температуры и содержания углерода. Начало изучению этой диаграммы было положено русским ученым Д.К.Черновым в 1868 году.

В зависимости от внешних условий углерод в равновесии с жидкой фазой и твердыми растворами на базе железа может находиться в ви­де цементита (метастабильное равновесие) и графита (стабильное равновесие). В связи с этим существуют два варианта диаграммы сплавов железа с углеродом - "железо-цементит" (метастабильиая) и "железо-графит" (стабильная). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграмма, так как с ее помощью объясняют не только превращения в сталях и белых чугунах, но она является основой для рационального выбора оптимальных режимов термической обработки железоуглеродистых сплавов.

В железоуглеродистых сплавов при нагревании или охлаждении по­лучаются следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит (табл.1).

Таблица 1

№ п/п	Название структуры	Тип структуры	Содержание углерода %	Число фаз	Механические свойства			Характеристика структуры
					σв, МПа	δ,%	НВ, МПа
1	феррит	Твёрдый раствор углерода в α-железе с ограниченной растворимостью	От 0,006 (при 0^0С) до 0,025 (при 727^0С)	1	300	40	800…1000	Пластичная, но не прочная
2	аустенит	Твёрдый раствор углерода в γ-железе с ограниченной растворимостью	От 0,08 (при 727^0С) до 2,14 (при 1147^0С)	1	600	60	1800…2000	Очень пластичная
3	Цементит	Химическое соединение железа с углеродом (Fe3C)	6,67	1	20000	0	8000	Очень твёрдая и хрупкая
4	перлит	Механическая смесь феррита с цементитом	0,8	2	600	20	2000	Средние прочность и пластичность
5	ледебурит	Механическая смесь перлита и цементита (ниже 727^0С) и аустенита и цементита (выше 727^0С)	4,3	2	1000	1…2	4500…5000	Твёрдая и хрупкая.

Таблица 2

Обозначение линий	Фазовые превращения на линиях (при охлаждении)	Перечень фаз	Количество фаз	Число степеней свободы
АС	Начало выделения аустенита из жидкости	Аустенит + жидкость	2	1
АЕ	Конец выделения аустенита из жидкости	Аустенит + жидкость	2	1
ЕС	Конец выделения аустенита из жидкости и образование ледебурита	Аустенит + Цементит + жидкость	3	0
СД	Начало выделения цементита (первичного) из жидкости	Жидкость + цементит	2	1
CF	Конец выделения цементита (первичного) из жидкости и образование ледебурита из жидкости	Жидкость + цементит + аустенит	3	0
ECF	Образование ледебурита из жидкости	Жидкость + аустенит + цементит	3	0
GS	Начало выделения феррита из аустенита	Аустенит + феррит	2	1
PS	Конец выделения феррита из аустенита и образование перлита из аустенита	Аустенит + феррит + цементит	3	0
PSK	Образование перлита из аустенита	Аустенит + феррит + цементит	3	0
ES	Начало выделения цементита (вторичного) из аустенита	Аустенит + цементит	2	1
SK	Конец выделения цементита (вторичного) из аустенита и образование перлита из аустенита	Аустенит + цементит + феррит	3	0
PQ	Начало выделения цементита (третичного) из феррита	Феррит + цементит	2	1

Таблица 3

Обозна-чение точек	Фазовые превращения в точках (при нагревании и охлаждении)	Содер жание углерода %	Соответст-вующая точкам температура	Перечень фаз	Количество фаз	Количество степеней свободы	Примечания
А	Температура плавления и затвердевания чистого железа	0	1539	Жидкость + кристаллы железа	2	-	Правило фаз Гибсона к однокомпанентным системам неприменимо
D	Температура плавления и затвердевания цементита	6,67	1600	Жидкость + цементит (первичный)	2	0
С	Плавление и образование ледебурита	4,30	1147	Жидкость + цементит + аустенит	3	0
Е	Максимальное растворение углерода в аустените	2,14	1147	Жидкость + аустенит + цементит	3	0
S	Минимальное растворение углерода в аустените	0.8	727	Аустенит + феррит + цементит	3	0
G	Превращение α- железа в γ – железо или наоборот	0	910	Железо + железо	2	-
Р	Максимальное растворение углерода в α - железе	0,025	727	Аустенит + феррит + цементит (вторичный)	3	0
Q	Минимальное растворение углерода в α - железе	0,006	0	Феррит + цементит (третичный)	2	1
К	Нет фазовых превращений	6,67	727	Цементит (первичный)	1	0
Р	Нет фазовых превращений	6,67	1147	Цементит (первичный)	1	0
О	Магнитное превращение	768	Чистое железо	1	0

Диаграмма сплавов железа с углеродом строится в координатах температура-концентрация углерода (рис. I). При анализе рассматриваются линии и точки диаграммы (табл.2 и 3), применяются прави­ла фаз и отрезков.

Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом и кривая охлаждения сплава с 3% углерода.

Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.

На диаграмме сплавов железа с углеродом фазами являются: жидкий расплав, аустенит, феррит, цементит.

Горизонтальные линии на диаграмме отвечают трехфазным равновесным состояниям сплавов. При температуре 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтек­тическое превращение: из жидкости одновременно выпадают кристаллы аустенита и цементита. Такая механическая смесь называется ледебу­ритом.

Во всех сплавах с концентрацией углерода более 0,02% при тем­пературе 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется пер­литом.

Таким образом, цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз. Цементит, выделяющийся из жидкого расплава, называет­ся первичный, из аустенита - вторичным, из феррита - третичным.

В качестве примера проследим за формированием структуры спла­ва с содержанием углерода 3%. Из точки, соответствующей содержа­нию углерода 3% восстановим перпендикуляр (рис.1). Точки пересе­чения с линиями диаграммы обозначим 1,2,3. В этих точках происхо­дят температурныe превращения. Для построения кривой охлаждения спроектируем точки I, 2, 3 на систему координат "температура - время".

Выше точки I сплав находится в жидком однофазном состоянии. По правилу фаз можно определить расположение кривой охлаждения выше токи I.

С = К + I – Ф

где К - число компонентов в сплаве; Ф- число фаз.

С =2+1-1=2

Это значит, что может меняться температура и концентрация сплава, т.е. кривая охлаждения имеет наклон. В точке 1 происходит кристаллизация аустенита.

Между точками 1 и 2 имеется две фазы: жидкость и аустенит. Число степеней свободы равно

С_1-2=2+1-2=1

Это значит, что можно менять один из факторов (температуру или концентрацию) в определённых пределах без изменения числа фаз, т.е. выделение из жидкости кристаллов аустенита происходит при изменении температуры между точками 1 и 2 и кривая охлаждения имеет наклон.

В точках пересечения перпендикуляра с горизонтальными линиями ESF и PSK , т.е. в точках 2 и 3 число степеней свободы надо подсчитывать в одной точке. В точке 2 имеется 3 фазы: жидкость, аустенит и цементит. Число степеней свободы равно:

С₂=2+1-3=0

Это значит, что превращение в этой точке происходит при постоянной температуре. Из жидкости одновременно выпадают кристаллы аустенита и цементита.

Кривая охлаждения в точке 2 расположена горизонтально.

Между точками 2 и 3 имеется две фазы: аустенит и цементит.

Число степеней свободы равно:

С_2-3=2+1-2=1

Следовательно, кривая охлаждения между точками 2-3 имеет наклон.

В точке 3 имеется три фазы: аустенит, цементит, феррит. Число степеней свободы равно:

С₃=2+1-3=0

Ниже точки 3 имеется две фазы : феррит и цементит. Число степеней свободы равно:

С=2+1-2=1

Следовательно, кривая охлаждения ниже точки 3 имеет наклон.

Соотношение или количество жидкой и твердой фаз, а также двух твердых фаз или структурных составляющих определяется по правилу отрезков: соотношение фаз или структурных составляющих в какой-либо точке диаграммы обратно пропорционально длине отрезков от этой точки до линий ограничения этих фаз или структурных составляющих.

В качестве примера определим соотношение фаз в точке b (С = 2,5 %). Через эту точку проведем горизонтальную линию nm до пересечения с линиями АЕ и АС. В точке b сплав состоит из двух фаз - аустенита и жидкости. Для определения количества углерода в аустените спроектируем точку n на ось концентраций и получим 1,8%. Для определения количества углерода в жидком сплаве спроектируем точку m на ось концентраций и получим 3,8%.

Определим количественное соотношение фаз в точке b

Или, воспользовавшись масштабом оси концентраций, получим:

;

Можно определить отношение аустенита или жидкости ко всему сплаву:

;

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Поясните процесс охлаждения железа из жидкого состояния до ком­натной температуры. Укажите все критические точки, соответствую­щие им температуры и превращения происходящие в каждой точке, свойства растворять углерод.

2. Что называется компонентом сплава? Какие сплавы называются двой­ным? Почему железоуглеродистые сплавы рассматриваются как двой­ные?

3. Чем отличаются процессы кристаллизации чистых металлов и сплавов?

4. Покажите на диаграмме состояния область сталей и область чугунов. Какая линия разделяет их?

5. Укажите на диаграмме фазы и структурные составляющие сплавов же­леза с углеродом.

6. Основные свойства различных структурных составляющих железоугле­родистых сплавов. Какое влияние оказывают они на свойства сталей и чугунов?

7. Покажите на диаграмме линии ликвидус и солидус и что они обозна­чают?

8. Какое практическое и теоретическое значение имеет диаграммы состояния?