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 Fe (рис. 1.).

кривые нагрева и охлаждения железа

 

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 диаграмму равновесия железо-цементит (рис.2.).

диаграмма состояния железо-углерод

   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:

  1. 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(Ф0,036,67).

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(А2,146,67).

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.

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).

микроструктура стали х 500

   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).

микроструктура белых чугунов

   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.