Диаграмма «железо – углерод (цементит)»

5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие
железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основными, наиболее распространенными материалами, используемыми в различных отраслях промышленности. Эти сплавы описываются диаграммой состояния «Железо – углерод (цементит)» («Fe – Fe₃C») (рис. 5.1).

Основными компонентами диаграммы являются железо и углерод. Температура плавления железа 1539 °С. В твердом состоянии оно может находиться в двух модификациях: α (решетка ОЦК) и γ (решетка ГЦК). Модификация Fe_α существует при температурах до 911 и от 1392 до 1539 °С. Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С (точка Кюри). Модификация Fe_γ существует в интервале температур 911–1392 °С.

Железо с углеродом образует растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от температуры и от того, в какой кристаллической форме существует железо. Твердый раствор углерода в Fe_α называется ферритом, а в Fe_γ – аустенитом.

Ж+Ф

Содержание углерода в диаграмме «Железо – углерод» ограничивается 6,67 %, т. к. при этой концентрации образуется химическое соединение Fe₃C – цементит. Так как на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода не более 5 %, то цементит является вторым компонентом рассматриваемой диаграммы. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение для получения высокоуглеродистых сплавов – серых чугунов.

В сплавах «Fe – C» существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния (рис. 5.1) – метастабильную «Железо – цементит» и стабильную «Железо – графит» (на рисунке показана пунктирными линиями).

Координаты характерных точек диаграммы «Железо – цементит» приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Критические точки диаграммы «Железо – цементит»

Обозначение точки	Т, °С	С, %	Обозначение точки	Т, °С	С, %
А			F		6,67
Н		0,1	G
I		0,16	P		0,02
B		0,51	S		0,8
N			K		6,67
D		6,67	Q	≈ 600	0,01
E		2,14	L	≈ 600	6,67
C		4,3

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, точка D – цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените.

Превращения в сплавах системы «Fe – Fe₃C» происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ABCD (ликвидус) и AHIECF (солидус). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите, при понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените (ES) и феррите (PQ).

В системе «Fe – Fe₃C» происходят три изотермических превращения:

при t = 1499 °С, линия HIB – перитектическое превращение:

Ф_Н + Ж_В → А_I;

при t = 1147 °С, линия ECF – эвтектическое превращение:

Ж_С → А_Е + Ц;

при t = 727 °С, линия PSK – эвтектоидное превращение:

А_S → Ф_Р + Ц → П.

Структурными составляющими данной системы являются: феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П), ледебурит (Л).

Феррит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_α, мягкая, пластичная фаза (σ_В = 300 МПа, δ = 40%, ψ = 70%, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02 % (P), в высокотемпературном – 0,1 % (H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).

Аустенит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_γ,более твердыйи пластичный (δ = 40–50 %, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14 % (Е).

Цементит – химическое соединение Fe₃C,имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1250 °С. Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабоферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита,и является прочной структурной составляющей (σ_В = 800–900 МПа, δ = 16%, 1800 HB).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727°С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С.

Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.