Перетворення в залізовуглецевих сплавах

Під час аналізу фазових перетворень, що відбуваються в залізовуглецевих сплавах при охолодженні (аналогічно і при нагріванні) необхідно розуміти фізичну суть усіх ліній і точок діаграми фазової рівноваги, а також суть реакцій (перетворень), що протікають при постійних температурах і концентраціях компонентів у фазах.

Проаналізуємо структурну діаграму фазової рівноваги Fe–Fe₃C, яка подана на рис. 1, а.

Основними лініями діаграми Fe–Fe₃C є:

– ABCD – лінія ліквідус — геометричне місце точок, що визначають температури початку кристалізації, по якій змінюється склад рідкої фази;

– на ділянках АВ, ВС і CD лінії ліквідус — рідкий розчин кристалізується з утворенням відповідно фериту, аустеніту і первинного цементиту;

– AHJECF – лінія солідус – геометричне місце точок, що визначають температури кінця кристалізації, по якій змінюється склад твердих фаз;

– лінії HN і NJ – сукупність точок, що відповідають температурам початку і кінця перетворень фериту в аустеніт і навпаки;

– лінії GS і GP – сукупність точок, що відповідають температурам початку і кінця перетворень аустеніту в ферит і навпаки;

– лінії JE і ES – характеризують граничну розчинність Карбону в аустеніті за різних температур;

– лінії AHN і GPQ – характеризують граничну розчинність Карбону у і фериті за різних температур.

Під час первинної кристалізації в сплавах, що містять 0,09...0,53 % С, на лінії HJB (за температури 1493 °C) відбувається перитектичне перетворення: внаслідок взаємодії розплаву (0,53 % С) і δ–фериту (0,09 % С) проходить перитектична реакція з утворенням аустеніту, що містить 0,16 % С (точка J):

. (1)

У сплавах, що містять від 0,09 % до 0,16 % С, перитектичне перетворення відбувається з надлишком –фериту, а в сплавах, що містять від 0,16 % до 0,53 % С, — з надлишком рідкої фази.

У сплаві, що містить 4,3 % С, під час первинної кристалізації в точці С за евтектичною реакцією утворюється ледебурит:

. (2)

Це перетворення відбувається в усіх сплавах, що містять від 2,14 % до 6,67 % С за температури 1147 ˚С (лінія ECF), коли незакристалізований рідкий розчин набуває концентрації 4,3 % С.

Унаслідок первинної кристалізації сплави, що містять менше за 2,14 % С, мають структуру аустеніту; сплави, що містять від 2,14 % до 4,3 % С — структуру аустеніту і ледебуриту; сплав з вмістом 4,3 % С складається з ледебуриту, а сплави з вмістом від 4,3 % до 6,67 % С — з ледебуриту і первинного цементиту.

У сплавах, що містять понад 0,022 % С, за температури 727 ºС (лінія PSK) за евтектоїдною реакцією утворюється перліт:

. (3)

Під час пониження температури вміст Карбону в аустеніті в сплавах, що містять понад 0,76 % С, зменшується, а надлишковий Карбон виділяється з аустеніту у вигляді вторинного цементиту:

. (4)

По лінії GS аустеніт починає перетворюватися у ферит, що зумовлено поліморфним перетворенням :

. (5)

За температур, що відповідають лінії GP, це перетворення закінчується і сплави з вмістом Карбону до 0,022 % мають структуру фериту.

З пониженням температури по лінії PQ від 727 ºС до кімнатної розчинність Карбону в фериті зменшується до 0,008 % (точка Q). Надлишковий Карбон виділяється з фериту у вигляді третинного цементиту.

Залізовуглецеві сплави, що містять до 0,022 % С, називають технічним залізом (структура — ферит). Залізовуглецеві сплави з вмістом від 0,022 % до 2,14 % С називають сталями. Сталі із концентрацією 0,022…0,76 % С називають доевтектоїдними (структура — ферит, перліт), сталі з концентрацією близько 0,76 % С — евтектоїдними (структура — перліт), а сталі з вмістом 0,76…2,14 % С — заевтектоїдними (структура — перліт, вторинний цементит).

Залізовуглецеві сплави з концентрацією Карбону від 2,14 % до 6,67 % називають чавунами. Чавуни з концентрацією 2,14…4,3 % С називають доевтектичними (структура — перліт, ледебурит і цементит вторинний), чавуни з концентрацією Карбону близько 4,3 % — евтектичними (структура — ледебурит), а чавуни з вмістом 4,3…6,67 % С — заевтектичними (структура — ледебурит, цементит первинний).

Значення координат точок діаграми фазової рівноваги Fe–Fe₃C подані у таблиці 1.

Таблиця 1

Точки діаграми Fe–Fe3C

Точка	Температура, °С	Концентрація С, %	Точка	Температура, °С	Концентрація С, %	Точка	Температура, °С	Концентрація С, %
A		0,00	E		2,14	P		0,022
B		0,53	C		4,30	S		0,76
H		0,09	F		6,67	K		6,67
J		0,16	D		6,67	Q		0,008
N		0,00	G		0,00	L		6,67