Фазовый и структурный состав на диаграмме железо-углерод

Фазовое и структурное состояния сплавов стабильной и метастабильной системы железо-углерод описывается диаграммами рисунках 4.1-4.3.

При исследовании этих диаграмм необходимо иметь в виду, что в системах существует однофазные, двухфазные и трехфазные равновесия.

К однофазным относятся: область жидкого раствора, расположенная выше линии ликвидус АВСD и АВС¢D¢, соответственно, в метастабильной и стабильной системах; три области твердых растворов – d-феррита, аустенита и a-феррита, примыкающих к ординате чистого железа, соответственно, в интервалах температур от 1539 до 1392 °С, от 1392 до 911°С и ниже 911°С; ордината цементита в метастабильной системе при содержании углерода 6,67 % и область гомогенности графита при 100 % углерода.

К двухфазным областям относятся практически все остальные области диаграммы, соответствующие кристаллизации в интервале температур от линии ликвидус до линии солидус, области полной и частичной фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Фазовый состав двухфазных областей определяется как сумма составляющих, ограничивающих справа и слева данную фазовую область.

Участки трехфазного равновесия в диаграмме – это горизонтальные линии, соответствующие развитию перитетктического превращения (линия HIB), эвтектического превращения в метастабильной и стабильной системах (соответственно, линии ECF и E¢C¢F), а также эвтектоидного превращения, соответственно, в метастабильной и стабильной системах (линии PSK и P¢S¢K¢).

В трехфазных равновесиях участвуют те фазы либо однородные структурные составляющие, области которых выходят своими точками на соответствующую горизонталь диаграммы. При этом состав фаз, участвующих в трехфазных реакциях определяется этими точками.

Например, перитектическому превращению в метастабильной системе соответствует трехфазное равновесие между фазами d, g и L; эвтектическому: g, Fe₃C, L; эвтектоидному a, Fe₃C, g.

При описании фазовых областей в системах приняты следующие обозначения: жидкий раствор – L, высокотемпературный феррит – d, низкотемпературный феррит – a, аустенит – g, цементит – Fe₃C, графит – Г.

При описании структурного состава на диаграммах используются обозначения, отличные от обозначения фазового состава: жидкий раствор – Ж, высокотемпературный феррит – Ф_d, низкотемпературный феррит – Ф, аустенит – А, цементит первичный – Ц₁, вторичный Ц₂, третичный Ц₃, эвтектический и эвтектоидный Ц или Ц_Э, перлит – П, ледебурит – Л. Структурный состав ледебурита при температуре выше 727 °С – (А+Ц)_э, а при температурах ниже 727 °С – (П+Ц)_э.

Структурный состав в ряде областей диаграммы железо-углерод совпадает с фазовым составом. Такими областями являются однофазные области, а также двухфазные области, соответствующие твердо-жидкому состоянию и области d+g и a+g.

Фазовые области g+Fe₃C и a+Fe₃C характеризуются широким интервалом структур в зависимости от содержания углерода в сплавах. В двухфазной области g+Fe₃C можно выделить следующие структурные участки диаграммы: область аустенита с избыточным (вторичным) цементитом, соответствующую структурному состоянию заэвтектоидных сталей; область доэвтектического чугуна, описывающая его структуру тремя структурными составляющими: аустенитом, ледебуритом и цементитом вторичным; эвтектический чугун, содержащий одну структурную составляющую-ледебурит; и область заэвтектического чугуна со структурным составом: ледебурит плюс цементит первичный.

Сплаву, содержащему 6,67% углерода, соответствует однофазная структура – цементит. Однако необходимо помнить, что кристаллизация сплава с содержанием углерода 6,67% даже в условиях очень быстрого охлаждения с температуры плавления не обеспечивает получения 100% цементита. Часть его распадается на железо (аустенит) и графит. В двухфазной области a+Fe₃C еще большее количество структурных областей. Это области: технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали, доэвтектического, эвтектического и заэвтектического чугуна.

Области технического железа соответствует структура феррита с избыточным (третичным) цементитом. Области доэвтектоидной стали – структура феррито-перлитная, эвтектоидной стали – 100% перлита, заэвтектоидной стали – перлит с вторичным цементитом.

Структурным областям доэвтектического, эвтектического и заэвтектического чугунов отвечают последовательно следующие: доэвтектическому: перлит, вторичный цементит и ледебурит, количество которого увеличивается по мере приближения к эвтектической концентрации; в эвтектическом чугуне 100% ледебурита; заэвтектическом ледебурит с кристаллами первичного цементита.

В стабильной системе железо-углерод в двухфазных областях a+Г и g+Г нет такого многообразия структурных областей. Практически все сплавы с содержанием углерода до 6% при температуре выше 738 °С имеют близкие структуры, соответствующие структурному составу А+Г, и при температуре ниже 738 °С отличающиеся лишь количеством и дисперсностью графитных включений.

Структура чугунов усложняется в случае применения специальных видов термической обработки, а также в результате ускоренной кристаллизации серых чугунов, что приводит к формированию структуры частично по стабильной, а частично – по метастабильной системе. В этом случае могут быть сформированы структуры феррит + графит, феррит + перлит + графит, зернистый перлит + графит и др. Кроме того, неодинаковая скорость кристаллизации отливок на поверхности и внутри объема металла может привести к получению разных структур по сечению одной и той же отливки.