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 (ЛА) — эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит ЛА образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ = 600...700 и большую хрупкость.
Ледебурит перлитный (ЛП) — эвтектическая механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита аустенитного ЛА 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.
