Краткие теоретические сведения. Диаграммы состояния в общем виде представляют собой график в координа­тах состав сплава — температура

 

Диаграммы состояния в общем виде представляют собой график в координа­тах состав сплава — температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различ­ных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние и специфический характер строения.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдель­ные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые — из двух, имеющих разные составы, строение и свойства. Анализи­руя диаграмму состояния, можно составить представление о специ­фике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменения в зависимости от состава, а также о возможности терми­ческой обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения. В диаграммах состояния содержится информация, необходимая для создания и обработки сплавов различного назначения.

В общем случае диаграмма состояния железо-углерод, структурная схема которой представлена на рисунок 1, отражает продукты, образующиеся в сплавах при изменении концентрации углерода от 0 до 100%.

Рисунок 1 - Структурная схема диаграммы железо-углерод

В основе всех превращений лежат следующие явления:

1) Наличие у железа нескольких вариантов кристаллической решетки (аллотропические модификации). Для чистого железа существуют диапазоны температур, где железо находится в разных модификациях Feα и Feγ. Изменение типа решетки приводит к существенному изменению физических свойств.

2) Различная растворимость углерода в кристаллической решетке железа в зависимости от типа решетки и температуры.

3) Образование химического соединения с собственной кристаллической решеткой. Это соединение нерастворимо в железе и практически не растворяет углерод.

Наибольший практический интерес представляет та часть диаграммы, где железоуглеродистые сплавы представлены сталями и чугунами. Это диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C), которая является частью диаграммы железо-углерод до концентрации углерода 6,67%.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Растворимость углерода в α -железе при ком­натной температуре до 0,005%; наибольшая раствори­мость — 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ = 80...100) и прочность (σ _В = 250 МПа), но высокую пластичность (δ = 50%; ψ = 80%), где σ _В — пре­дел прочности; δ — относительное удлинение; ψ — отно­сительное сужение.

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углеро­да в кристаллической решетке γ-железа. Тип решетки - гранецентрическая. В железоуглеродистых сплавах он может су­ществовать только при высоких температурах. Предель­ная растворимость углерода в γ-железе — 2,14% при температуре 1147 °С и 0,8 % — при 727 °С. При падении температуры ниже 727 °С А распадается и переходит в П. Аустенит имеет твер­дость НВ = 160...200 и весьма пластичен (δ = 40...50 %). Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более суживающемся диапазоне растворимости углерода.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃С). В цементите содержит­ся 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ ~ 800), хрупок и прак­тически не обладает пластичностью.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы же­леза — металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легиро­ванным цементитом. Цементит—соединение неустойчивое и при определенных ус­ловиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Графит — это свободный углерод, мягок (НВ = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — эвтектоидная механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется в результате перераспределения углерода в аустените при температуре ниже 727 °С. Перлит может быть пла­стинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σ _В ~ 800 МПа; относительное уд­линение δ = 15%; твердость НВ = 160.

Ледебурит аустенитный (Л_А) — эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит Л_А обра­зуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ = 600...700 и большую хрупкость.

Ледебурит перлитный (Л_П) — эвтектическая механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита аустенитного Л_А при температуре ниже 727 °С в результате распада аустенита.

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подраз­деляют на техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали (0,8 < С ≤ 2,14 %).

В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный цемен­тит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 °С из феррита.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит содержит 0,8 % углерода. По относитель­ному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой перлитом, на 0,8.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью со­стоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур

1147... 727 °С из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SЕ диаграммы Fе-Fе₃С.

Чугуны в системе Fе-Fе₃С называют белыми. Эти сплавы содержат углерод исключительно в химически связанном состоянии в виде Fе₃С.

Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при температуре ниже 1147 °С (линия ЕСF диаграммы Fе-Fе₃С) с образованием эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727 °С аустенит претерпева­ет эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектичекие, эвтектические и заэвтектические.

Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в преде­лах

2,14... 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода. Структура его состоит пол­ностью из ледебурита.

В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и леде­бурита.

Особенность белого чугуна: высокое содержание в белом чугуне цементита обеспечивает ему высокую твердость, прочность и хрупкость, поэтому в технике он практически не применяется.