Диаграмма состояния железо-цементит
Рассмотрим подробнее, какую информацию нам показывает диаграмма состояния железо-цементит.
Железо- металл серебристо-белого цвета, мягкий. Чистое железо содержит 99,99% Fe. Технические сорта железа содержат 99,8-99,91 % Fe. Температура плавления железа 1539ᴼС. До температуры 768ᴼС, при которой железо теряет свои магнитные свойства, называется точкой Кюри.
Железо имеет две аллотропические модификации Fe α Feᵞ (рис. 1.).
Железо α существует при температурах ниже 911ᴼ и выше 1401ᴼС. В интервале температур 911-1401ᴼС существует железо ƴ.
Железо в чистом виде не имеет широкого промышленного применения. В технике применяются сплавы железа с углеродом. Для изучения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, рассмотрим какую информацию показывает диаграмма состояния железо-цементит (рис.2.).
По диаграмме равновесия можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева. Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие:
- Однофазные составляющие:
феррит твердый раствор углерода в α – железе -Feα (С). Максимальная растворимость углерода в феррите около 0,008% при 20ᴼС и 0,03% при 727ᴼС. Кристаллическая решетка –объемно-центрированный куб. Феррит – твердый раствор внедрения; атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа α. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита = НВ 80—100.
аустенит – твердый раствор углерода в ƴ – железе Fe ƴ (С). Максимальная растворимость углерода в аустените при 1147ᴼС равна 2,14%. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Аустенит – твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита = НВ 180-200;
цементит – химическое соединение железа с углеродом –Fe3C. Цементит имеет сложную (ромбическую) кристаллическую решетку, очень высокую твердость = НV 1000 и весьма хрупок.
2.Двухфазные структуры:
перлит — (эвтектоид) представляет собой смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при температуре 727ᴼС и содержит 0,8% углерода. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой
А П(Ф0,03+Ц6,67).
В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластичным или зернистым. Твердость пластинчатого перлита средней дисперсности НВ200-250, зернистого НВ160-220.
ледебурит – (эвтектика) — смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,36%С) при температуре 1147ᴼС. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой
ЖР Л(А2,14 +Ц6,67).
Ледебурит имеет очень высокую твердость = HV 800 и очень хрупок.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали и чугуны.
Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называются доэвтектоидными, 0,8% эвтектоидными и больше 0,8% — заэфтектоидными.
Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% углерода – эвтектическими, содержащие более 4,3% углерпода – заэфтектическими.
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линия ликвидуса). И заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF ( линия солидуса).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α – железе ( δ – раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием α(δ) – твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в ƴ – железе, т.е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
Диаграмма состояния железо-цементит, образование цементита
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным.
В точке С при температуре 1147ᴼС и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебурит. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов чуть ниже 1147ᴼС будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении ƴ – железа в α – железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ES Показывает температуру начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727ᴼС и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита.
Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в α – железе при температуре 727ᴼС; она составляет 0,03% С.
Линия РQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03 %, состоит из феррита+цементит третичный и называются техническим железом (рис 3 а).
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ᴼС имеют структуру феррит + перлит (рис.3 б), эвтектоидные – перлит (рис. 3 в) и заэвтектоидные – перлит + цементит (вторичный) в виде сетки по границам зерен (рис. 3.г).
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727ᴼС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ᴼС (линияPSK) аустенит, обедненный углеродом до 08% (точка S), превращается в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура эвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит) (рис.4,а).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ᴼС состоит из ледебурита превращенного (рис.4, б).
Заэвтектичекий чугун при температурах ниже 727ᴼС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного (рис.4 в).
Образование графита в чугуне может происходить при выделении из жидкого раствора или в результате распада цементита. Процесс образования графита в чугунах называется графитизацией. Выделение графита из жидкого раствора возможно лишь при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения не превышает 5ᴼС. Ускоренное охлаждение частично или полностью подавляет процесс графитизации и способствует образованию цементита.
Различные неметаллические включения, присутствующие в жидком чугуне (графит , Al2O3. SiO2 т.д.), облегчает процесс графитизации.
Цементит распадается на графит и феррит или графит и аустенит при продолжительном нагреве и высоких температурах.
Источник: «Термическая обработка металлов» В.М.Зуев.
