Диаграмма состояния железо-цементит

. Для изу­чения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов рас­смотрим диаграмму железо — цементит (рис. 5).

По диаграмме можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева. Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие.

Однофазные составляющие. Феррит — твердый раствор углеро­да в α-железе — Fе_а(С). Максимальная растворимость углерода в феррите около 0,006% при 20°С и 0,02% при 727⁰ С. Кристалличес­кая решетка — объемноцентрированный куб. Феррит —- твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа α. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80-100НВ.

Аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе — Fе_γ (С). Мак­симальная растворимость углерода в аустените при 1147 ⁰С равна 2,14%. Кристаллическая решетка — гранецентрированный куб. Аус­тенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен и обла­дает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита около 200НВ.

Цементит — химическое соединение железа с угле­родом — Fе₃С. Цементит имеет сложную (ромбичес­кую) кристаллическую ре­шетку, очень высокую твердость, весьма хрупок.

Двухфазные структуры. Перлит (эвтектоид) пред­ставляет собой смесь фер­рита и цементита. Перлит образуется при медленном

 

Рис.3

1 – печь; 2 – жидкий металл; 3 – тигель; 4 – горячий спай термопары; 5 – термопара; 6 – колпачок; 7 – холодный спай термопары;

8 – гальванометр.

Рис.4

Кривые охлаждения: а – чистого металла; б, в - сплава

 

Рис.5

 

охлаждении из аустенита при температуре 727°С и содержит 0,8% углерода. Процесс превращения аустенита в перлит можно запи­сать формулой:

 

А_0.8 → П (Ф_0,02 + Ц_6,67)

 

В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость, соответственно 200— 220НВ.

Ледебурит (эвтектика) — смесь аустенита и цементита. Ледебу­рит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3%С) при температуре 1147 °С. Эвтектическое превра­щение с образованием ледебурита можно записать формулой:

 

ЖР_4,3 →Л(А_2,14+Ц_6,67).

 

Ледебурит имеет очень высокую твердость (800НV), 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% — заэвтектоидными.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% — эвтектически­ми и содержащие более 4,3% — заэвтектическими.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо — углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии АСD(линия ликвидус), и заканчивается при температурах, обра­зующих линию АЕСF (линия солидус).

При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого ра­створа кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии СD начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным.

В точке С при температуре 1147 °С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Процесс первичной кристаллизации чугунов закан­чивается по линии AЕСFобразованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов чуть ниже 1147 °С будет: до-эвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебу­рит и заэвтектических — цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называют­ся вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при ох­лаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GSсоответствует температурам начала превращения аус­тенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аус­тенита.

Линия ЕSпоказывает 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 727 ⁰С и концентрации углерода в aустените 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 P соответствует максимальной растворимости углерода в α-железе при температуре 727 °С; она составляет 0,02%С.

Линия РQпоказывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,006% углерода (точ­ка Q),являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,006% до 0,02%, состоят из феррита и

цементита третичного и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727⁰С имеют структуру феррит + перлит, эвтектоидные – перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147—727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторич­ный, вследствие уменьшения растворимо­сти углерода (линия SE ) аустенит, обед­ненный углеродом до 0,8% (точка S),пре­вращается в перлит.

При этом превращение претерпевает как структурно свободный аустенит, так и входящий в ледебурит, т.е. происходит пре­вращение ледебурита аустенитового в ле­дебурит перлитовый. Таким образом, пос­ле окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из цемен­тита вторичного, перлита и ледебурита перлитового.

Структура эвтектических чугунов при температуре ниже 727 °С состоит только из ледебурита перлитового.

Структура заэвтектических чугунов при температуре ниже 727 °С состоит из ледебурита перлитового и цементита первичного.