Ochobhыe теоретические представления

В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.

Компонентами диаграммы состояния являются железо и углерод. Поскольку углерод находится в двух аллотропических модификациях - в виде графита и алмаза, то различают две диаграммы состояния: железо-графит и железо-алмаз. Если первая является стабильной при нормальном давлении, то вторая проявляется полностью при высоких давлениях, когда стабильными становятся неустойчивые карбиды Fe₃С, Fe₇C₃, алмаз. Поскольку известно, что самостоятельными компонентами могут быть устойчивые химические соединения, то диаграмму состояния железо-алмаз, метастабильную при нормальном давлении (т.е. имеющую промежуточное равновесие), можно только условно считать состоящей из диаграммы Fe-Fe₃C, Fe₃C-Fe₇C₃, Fe₇C₃-алмаз. Однако практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5%, охватываемые фрагментом полной диаграммы состояния железо-алмаз - диаграммой состояния металлической системы Fe-Fe₃C (железо-цементит), в соответствие с которой кристаллизуются стали и белые чугуны, и которая и является предметом данной работы. Железо - металл переходной группы (атомный номер 26, атомная масса 55,85), температура плавления 1539^ОС, отличается полиморфизмом - ниже температуры 911^ОС и в интервале 1392-1539^ОС устойчиво в форме a-модификации (Fe_a), а в интервале 911-1392^OС в форме g-модификации (Fe_g). Железо-a имеет объемноцентрированную кубическую решетку (К8), параметр которой при комнатной температуре равен 0,286 нм, ниже температуры 768^ОС ферромагнитно, а в интервале 768-911^ОС – парамагнитно. Железо-g имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12) с параметром 0,386 нм. Высокотемпературная модификация a-железа и g-железо парамагнитны.

Второй компонент - цементит имеет сложную ромбическую решетку, полиморфизмом не отличается, при температурах ниже 210^ОС имеет слабо выраженные ферромагнитные свойства. По расчетным данным температура плавления цементита оценивается величиной, равной 1252^ОС.

При взаимодействии железа и углерода в железоуглеродистых сплавах формируются в зависимости от концентрации компонентов и температуры следующие четыре фазы:

феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в a-железе;

аустенит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в g-железе;

жидкость - неограниченный жидкий раствор углерода в железе (более строгим является использование термина "расплав");

цементит - карбид железа Fe₃С с содержанием углерода 6,67%.

Структурными же составляющими диаграммы состояния железо-цементит являются 4 однофазных - жидкость, феррит, цементит, аустенит и 2 двухфазных структурных составляющих - перлит и ледебурит.

Диаграмма состояния железо-цементит в интервале концентраций от железа до цементита изображена на рис. 6.1.

Линия ABCD – линия ликвидус соответствует насыщенному состоянию жидкости (Ж): на участках АВ и ВС - железом, а на участке СD - углеродом. Линия AHJECFD - солидус определяет насыщенное состояние продуктов кристаллизации - феррита (Ф), аустенита (А) и цементита (Ц). В фазовых областях между линиями НNJ и GSP происходит фазовая перекристаллизация Ф«А, причем линии HN и GР определяют насыщение феррита углеродом, а линии NJ и GS -аустенита железом. Линии ES и PQ определяют насыщенное состояние аустенита и феррита углеродом. В соответствии с указанными значениями при охлаждении из исходной фазы выделяется фаза, богатая компонентом, которым насыщена исходная фаза. Например, при температурах линии ЕS из аустенита выделяется цементит.

Рис.1. Диаграмма состояния система железо-цементит

Горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание нонвариантных реакций, для которых число степеней свободы С=К+1-Ф=0.

Значение координат точек на диаграмме представлены на отдельных ее фрагментах (рис.2 и 3).

При кристаллизации всех сплавов с содержанием углерода до 2,14% (последние данные - 2,06%), в определенном интервале температур, происходит образование аустенита.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 0,025-2,14% называют углеродистыми сталями, более 2,14% - белыми чугунами.

Рис.2. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 1…5)

Рис.3. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 6…9)