2.2. Основные точки и линии на диаграмме состояния «Fe – c»

На рис. 2.1 показана диаграмма состояния «Fe – C» в упрощённом виде. На диаграмме не показаны превращения жидкого раствора Fe_δ в Fe_γ, происходящие в низкоуглеродистых сплавах при высоких темпера­турах. Критические точки на диаграмме имеют следующий физичес­кий смысл:

А – 1539 °С, температура плавления железа;

D – 1500…1550 °С, температура плавления цементита.

С – 4,3% С – содержание углерода в жидкой фазе при эвтектической температуре; в равновесии с аустенитом и цементитом;

Е – 2,14% С – предельное содержание углерода в аустените при эвтектической температуре в равновесии с жидкостью 4,3 % С и цементи­том;

S – 0,80% С – содержание углерода в аустените при эвтектоидной температуре в равновесии с ферритом и цементитом;

Р – 0,02% С – предельное содержание уг­лерода в феррите, при эвтектоидной темпера­туре в равновесии с аустенитом и цементитом;

Q – 0,006% С – предельное содержание углерода в феррите при температуре 20 °С.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния «Fe – C»

Процессы первичной кристаллизации железоуглеродистых спла­вов определяются линиями диаграммы «Fe – C», имеющими определённый физический смысл. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жид­ких сплавов, начинается при температурах, соответству­ющих линии ликвидус, а завершается при температурах, соответствующих линии солидус (рис. 2.1).

АС – линия ликвидус (граница области Ж + А).

CD – линия ликвидус (граница области Ж + Ц _I).

АE – линия солидус (граница области Ж + А).

EF – линия эвтектического равновесия (аустенит состава Е, жидкость состава С, цементит). Ли­ния солидус.

Вторичная кристаллизация, т. е. превращение в твер­дом состоянии, происходит по следующим линиям диаг­раммы:

GS – верхняя граница области равновесия Ф + А (при охлаждении начало превра­щения аустенита в феррит).

GP – граница области равновесия Ф + А (при охлаждении конец превращения аустени­та в феррит).

ES – линия ограниченной растворимости цементи­та (Ц _II) в аустените.

РК – линия эвтектоидного равновесия (феррит со­става Р, аустенит состава S, цементит).

PQ – линия ограниченной растворимости цементита (Ц _III) в феррите.

Как видно из диаграммы, принятое разграничение по содержанию углерода между техническим железом, сталью и чугуном сов­падает с предельной растворимостью углерода в феррите и аустените (точки Р и Е). Техническое железо не содержит в структуре эвтектоид – перлит, а в структуре сталей отсутствует эвтектика – ледебурит.

3. Микроструктурный анализ углеродистых сталей

Сталями называют сплавы железа с углеродом и другими компонентами. Содержание углерода в сталях может быть от 0,02 до 2,14%.

Техническим железом называют славы железа с углеродом, содержащие углерода менее 0,02%, со структурой из одних зёрен феррита (рис. 2.2, а).

С

а)

б)

в)

г)

тали классифицируют по содержанию углерода на доэвтектоидные (0,02 % < С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные (0,8 % < С < 2,14 %).

Структура доэвтектоидных сталей представляет собой смесь зерен феррита и перлита (рис. 2.2, б). Феррит, как однофазная структурная составляющая, после травления имеет слабо развитый микрорельеф и наблюдается в поле зрения микроскопа светлым. Перлит же является двухфазной структурной составляющей (смесь феррита и цементита вторичного) и при травлении растворяется неравномерно (избирательно): на фоне интенсивно растворяющегося феррита, химически более инертный цементит травится слабо. В результате поверхность зерен перлита приобретает сильно развитый микрорельеф и выглядит темной. С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях количество феррита уменьшается, а перлита  возрастает.

Структура эвтектоидных сталей состоит только из пер­лита. В зависимости от формы цементита, перлит бывает зернистым и пластинчатым (рис. 2.2, в). Стали со структурой зернистого перлита характеризуются более высокой пластичностью и вязкостью.

Структура заэвтектоидных сталей состоит из цементита вторичного в виде тонких светлых прожилок и перлита в виде крупных темных зерен (рис. 2.2, г). С увеличением содержания углерода в заэвтектоидных сталях количество цементита возрастает.

Углеродистые стали дешевы, технологичны и широко используются в машиностроительном производстве:

 доэвтектоидные – для изготовления деталей машин (зубчатых колес, валов, осей и др.) – это конструкционные стали;

 эвтектоидные и заэвтектоидные – в основном для изготовления режущего и измерительного инструмента – это инструментальные стали.

а)

б)

в)

г)