Анализ фазовых превращений сплавов железа с углеродом

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

Пример диаграммы состояния превращений сплава железа и углерода изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Углерод с железом образует цементит. На практике используются металлические сплавы на основе железа, содержание углерода в которых не более 5 %, поэтому интересна часть состояния от чистого железа до цементита. Цементит представляет собой метастабильную фазу, поэтому выше представленная диаграмма называется метастабильной (сплошные линии). Для графитизированных сталей и серых чугунов рассматривается стабильная часть диаграммы состояния железо - графит, потому что графит в данном случае стабильная фаза. Цементит из расплава выделяется значительно быстрее, чем графит и во многих белых чугунах и сталях может существовать долго, даже при метастабильности. В серых чугунах графит присутствует всегда обязательно. На выше представленном рисунке пунктирными линиями изображены линии стабильного равновесия (принимает участие графит), отличающиеся от линий метастабильного равновесия (принимает участие цементит), соответствующие точки обозначены штрихом.

Фазы диаграммы железо - углерод

В системе железо - углерод существуют следующие фазы:

1. Жидкая фаза.
2. Феррит.
3. Аустенит.
4. Цементит.
5. Графит.

В жидком состоянии железо способно хорошо растворять углерод любых пропорциях и с образованием однородной жидкой фазы. Феррит является твердым раствором внедрения углерода в а-железе с объемно-центрированной кубической решеткой. У него имеется переменная, которая зависит от температуры - предельно допустимая растворимость углерода: максимальна - 0,2 % при температуре 700 градусов по Цельсию (точка Р), минимальная - 0,006 % (тока Q) при комнатной температуре. Атомы углерода находятся в центре грани или на середине ребер куба и в дефектах решетки. При температуре 1392 градуса по Цельсию присутствует высокотемпературный феррит, у которого предельная растворимость углерода 0,1 % при температуре 1500 градусов по Цельсию (точка Н). Аустенит, в данном случае, представляет собой твердый раствор внедрения в у-железе гранецентрированной кубической решеткой. Атомы углерода находятся в центре гранецентрированной кубической ячейки. В аустените предельная растворимость углерода составляет около 2,14 % при температуре 1147 градусов по Цельсию (точка E). Твердость аустенита составляет 200 - 250 НВ, также он парамагнитен и пластичен. В случае растворения в феррите или аустените других элементов у них изменяются температурные границы существования и свойства.

Цементит является химическим соединением железа с углеродом, обладающий сложной ромбической решеткой и содержанием углерода около 6,67 %. Его твердость более 1000 НВ, но при этом он очень хрупкий. Цементит метастабильная фаза и в случае длительного нагрева самопроизвольно разлагается с выделением графита. В железоуглеродистых сплавах цементит может выделяться при различных условиях:

1. Эвтектоидный цементит.
2. Эвтектический цементит.
3. Цементит первичный из жидкости.
4. Цементит вторичный из аустенита.
5. Цементит третичный из феррита

Из жидкости цементит выделяется в виде крупных пластинок кристаллов; из аустенита в виде сетки, расположенных вокруг его зерен; из феррита в виде мелких включений, которые располагаются у границ его зерен. Эвтектический цементит может наблюдаться только в белых чугунах. У эвтектоидного цементита пластичная форма, он составная часть перлита. В виде мелких сфер цементит может выделяться в результате закалки с высоким отпуском или специального сфероидизирующего отжига. Воздействие на механические свойства сплавов оказывает расположение, количество, форма и размер включений цементита. На практике это позволяет добиться оптимального сочетания твердости, стойкости к хрупкому разрушению, прочности и т.п.

Графит представляет собой фазу, которая состоит исключительно из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Его плотность существенно меньше, чем плотность всех остальных фаз, что затрудняет и замедляет его образование, а это может стать причиной выделения цементита при более быстром охлаждении. Образование графита приводит к уменьшению усадки при кристаллизации, он выполняет роль смазки при трении, способствующая снижению износа и рассеяния энергии вибраций. Графит имеет форму изогнутых пластинчатых включений (серый чугун) или сфер (высокопрочный чугун).

Линия ACD (ликвидус) показывает температуру начала затвердевания белых чугунов и сталей. Линия AECF (солидус) показывает температуру начала плавления. По линии АС из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD цементит. На линии АЕ сплавы, которых содержится до 2,14 % углерода окончательно затвердевают и образуются структуры аустенита. На линии ЕС (углерод от 2,14 до 4,3 %) сплавы твердеют с образованием эвтектики ледебурита. На линии CF (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %) сплавы твердеют тоже с образованием эвтектики ледебурита. Между линиями АЕС и АС будут находиться кристаллы аустенита и жидкий сплав. Между линиями CD и CF находятся кристаллы первичного цементита и жидкий сплав. Вторичная кристаллизация в железоуглеродистых сплавах характеризуется линиями PQ, GSE и PSK. GS показывает начало превращения в феррит аустенита при охлаждении, таким образом в области GSP будет находиться структура «феррит + аустенит».

Линия SE показывает, что растворимость углерода в аустените уменьшается с понижением температуры. При температуре 1147 градусов по Цельсию в аустените может раствориться 2,14 % углерода, а при температуре 727 градусов по Цельсию растворению подвергается только всего 0,8 %. С понижением температуры в сталях, в которых содержание углерода составляет от 0,8 до 2,14 % из аустенита начинает выделяться лишний углерод в виде цементита. Таким образом ниже линии SE у стали структура «цементит + аустенит». В чугунах, у которых содержание углерода составляет от 2,14 до 4,3 %, при температуре 1147 градусов по Цельсию, кроме ледебурита, присутствует аустенит, из которого, в случае понижения температуры, тоже выделяется вторичный цементит. Из этого следует, что ниже линии СЕ, до температуру 727 градусов по Цельсию у белого чугуна будет следующая структура «вторичный цементит + ледебурит + аустенит». Линия PSK является линией эвтектоидного перехода. На данной линии в железоуглеродистых сталях аустенит распадается, вследствие чего образуется структура, которая является механической смесью цементита и феррита - перлит.