4.2. Диаграмма железоуглеродистых сплавов

Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации.

Технически чистое железо содержит 99,8 – 99,9 % Fe, температура его плавления – 1539С, прочность – 245 МН/м²(25 кгс/мм²), пластичность высокая:= 50 %,= 80 %. Критические точки железа представлены на рис. 13. Железо с углеродом образует цементит – химическое соединение карбид железаFe₃C, содержит 6,67 % углерода, имеет высокую твердость (НВ800), но низкую, практически нулевую, пластичность.

Диаграмма состояния сплавов «железо – цементит» (в упрощенном виде) представлена на рис. 22. На левой ординате точка А (1539С) соответствует температуре плавления (кристаллизации) чистого железа, а точкаDна правой ординате – температуре плавления (кристаллизации) цементита. Линия АСD–линия ликвидус, показывающая начало кристаллизации (конца плавления) всех сплавов. Выше линии ликвидус АСDвсе сплавы жидкие.

Линия AECF–линия солидус, показывающая значения температуры конца кристаллизации (начала плавления) сплавов. При температуре ниже линии АECFсплавы находятся в твердом состоянии.

При охлаждении на линии АС из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. В области диаграммы АСЕ сплавы будут состоять из двух фаз – жидкого раствора и кристаллов аустенита.

Рис. 22. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

На линии АЕ кристаллизация закончится, и ниже сплавы будут иметь аустенитную однофазную структуру. Точка Е указывает максимальную (предельную) растворимость углерода в аустените – 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода до 2,14 %, лежащие левее точки Е, называются сталями.

После окончания процесса первичной кристаллизации все стали будут иметь структуру аустенита – твердого раствора углерода в гамма-железе, но гамма-железо существует только выше температуры 910C(см. рис. 13). При понижении температуры сталь превращается в немагнитное бета-, а затем – в магнитное альфа-железо с образованием нового твердого раствора –феррита(начинается перекристаллизация сплавов). Под влиянием углерода температура этого превращения понижается от 910 до 727C– линияGSдиаграммы. Следовательно, в сталях, содержащих менее 0,8 % углерода, полиморфное превращение гамма-альфа-железа протекает в интервале температур (между линиямиGSиPS) и сопровождается диффузионным перераспределением углерода между аустенитом и образующимся ферритом. Структура феррита показана на рис. 23, а. Ферритные зерна под микроскопом выглядят светлыми.

Точка Р диаграммы (727C), представленной на рис. 22, соответствует максимальному содержанию углерода в феррите – 0,025 %. В точкеQ(0C) – минимальная растворимость углерода в феррите – 0,006 %. Выделяясь по границам зерен, третичный цементит резко снижает пластичность феррита.

Понижение температуры вызывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14 % при температуре 1147C(точка Е диаграммы) до 0,8 при 727C(точкаS). Следовательно, линияSE– линия предельной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии из аустенита выделяется цементит вторичный. Выделяясь сплошной сеткой по границам зерен аустенита, вторичный цементит охрупчивает сталь. Таким образом, под линиейGS(см. рис 22) – сплавы двухфазные – аустенит и феррит, а в области ниже линииSE– аустенит и цементит вторичный.

В точке S, где пересекаются линииGSиSE, происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси кристаллов феррита и цементита вторичного, которая называется перлитом.

Точка S– эвтектоидная точка диаграммы, а линияPSK(температура – 727C), проходящая через эту точку, – линия эвтектоидного (перлитного) превращения.

Ниже температуры 727Cстали, содержащие углерода менее 0,8 %, со структурой феррит и перлит называются доэвтектоидными сталями. Микроструктура доэвтектоидной стали с 0,6 % углерода показана на рис. 23, б (светлые участки – зерна феррита, темные – перлита).

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Двухфазная структурная составляющая эвтектоидной стали перлит представлена на рис. 23, в. При большом увеличении хорошо видно пластинчатое строение кристаллов цементита на светлом фоне феррита. Это определило его название – пластинчатый (= 9 – 12 %, НВ190 – 230).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % со структурой перлит и цементит вторичный называются заэвтектоидными сталями. Микроструктура заэвтектоидной стали показана на рис. 23, г. На микрофотографии хорошо видны светлые кристаллы цементита вторичного пластинчатой формы по границам зерен перлита.

а б

в г

Рис. 23. Микроструктура сталей: а – феррит (300);

б – доэвтектоидная: Ф + П (150); в – эвтектоидная: П (1200);

г – заэвтектоидная: П + Ц_II(600)