Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В технике наиболее широко применяют сплавы железа с уг­леродом — стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния же­лезо — углерод имеет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабилъная, ха­рактеризующая превращения в системе железо — цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превраще­ния в системе железо — графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe-Cприведе­ны на рис. 3.1.

Аустенит (А) С < 2,14 % Цементит (Ц) С = 6,67 % Феррит (Ф) С < 0,02 %

НШ

,200 НВ; 5 = 30%, ЩЖ?. 80 НВ; 5 = 50%

*Ч(С) 800 НВ; 5 < 1 %, ^Fe~

............ -V---------

700 НВ; 6 = 2%

250 НВ; 5 = 20%

Ледебурит (Л) С = 4,3 % -»--------- Перлит (П) С = 0,8 %

Ц

Рис. 3.1.Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии

Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух ал­лотропических формах: Fe_aи Fe_r

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_aназывается фер­ритом (Ф). Растворимость углерода в Fe_aневелика и составля­ет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (а_в = 250 МПа), но высокую пластичность (5= 50 %).

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_yназывается аусте- нитом (А). Растворимость углерода в Fe_yзначительно больше, чем в Fe_a, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160...220 НВ.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластичность (8-1 %). Чем больше цементита в железо­углеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пла­стичностью они обладают.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перли­том (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продук­том распада аустенита при 727 °С (200...250 НВ; 5 = 10...20 %; о_в = 600...650 МПа):

A_sФ_Р + Ц.

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называется ледебуритом(JI). Ледебурит образуется при кристал­лизации расплава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.

Диаграмма состояния Fe—Fe₃Cпредставлена на рис. 3.2. Ли­нияACD— ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. ЛинияAECF— солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область существо­вания феррита ограничена площадью0QPG,аустенита —GSEA. На линииDFKLобразуется цементит, наECF-- ледебурит, на PSK— перлит.

Диаграмма состояния Fe—Fe₃Cочень сложная. Поэтому для подробного ознакомления с ней и превращениями, происходя­щими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на харак­терные участки, исходя из процентного содержания углерода:

1600 1539 1500

Аустенит + + феррит 1000

Феррит

! Цементит 4- ледебурит i\

Феррит + + перлит

1250 °С

Рис. 3.2. Диаграмма состояния Fe—Fe3C

Перлит Перлит 1 (вторичный)

Перлит + цементит + 4- ледебурв

2 2,14

С, % ° (по массе) Fe3C, % (по массе)

0...0.8 % — сплав I; 0,8...2,14 % — сплав II; 2,14...4,3 % — сплав III; 4,3... 6,67 % — сплав IV.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0...0,02 % углерода, называются техническим железом, 0,02...2,14 % — сталями, 2,14...6,67 % углерода — чугунами.

Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃Cс концентрацией углерода 0...2,14 %

 

Данный участок диаграммы представлен на рис. 3.3, а, а кри­вые охлаждения сплавов I и II — на рис. 3.3, б. Сплав I выше точки 1_г находится в жидком состоянии. В точке из жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться в этом, проведем горизонтальную линию через точку а, лежа­щую ниже точкиli,до пересечения с линиями АЕ и АС' и обо­значим соответственно точки а¹ и а². В точке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пересекается с линией АС' в точке а²) и кристаллы аустенита (с линией АЕ в точке а¹).

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет изменяться по линии а^г-С', а состав аустенита — по линии а¹-2,. В точке 2₁ процесс кристаллизации аустенита заканчива­ется. От точки 2jдо точки 3, не происходит никаких превращений, идет процесс охлаждения аустенита. В точке 3[ и ниже начинает протекать полиморфное превращение. Происходит перестройка кристаллической решетки железа: Fe._f—>Fe_a. В результате из аусте­нита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3jгоризонтальная линия.

По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линииGS,а феррита — по линииGP.К моменту достижения температуры 727 °С аустенит содержит 0,8 % углерода (точкаS) и начинает распадаться на механическую смесь, называемую перлитом (рис. 3.3, в). Такое превращение называется эвтек- тоидным, а линияPSK— линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точкиS,носят название доэвтектоид- ных сплавов, за точкой S— заэвтектоидных. Состав эвтекто-

О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,14 С, %

t,° С

т, с

в Fea Fe3C Рис. 3.3. Часть диаграммы состоянии Fe—Fe3Cдля сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)

 

идного сплава соответствует проекции точкиSна ось концен­трации. Ниже точки 4, в равновесии находятся феррит, пере­шедший из областиPGS,и перлит, образовавшийся при распаде аустенита.

В сплаве II (см. рис. 3.3, а) от точки jf_nдо точки З_п протекают превращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки J, до точки З_г. Ниже точки 3„ из перенасыщенного углеродом аусте­нита выделяется цементит, получивший название вторичного (Ц_п), так как он образуется из твердой фазы. Состав аустенита изменяется по мере снижения температуры по линии3_nS,являю­щейся частью линииES,которая отражает растворимость угле­рода в аустените. С понижением температуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения температуры 727 °С содер-

жание углерода в аустейите составляет 0,8 % и он распадается на механическую смесь — перлит. Ниже точки З_п в равновесии находится смесь А + Ц_ц, а ниже точки 4_и — П + Ц_п, причем пер­лит образовался в результате распада аустенита в точке 4_и.

Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃CКШ1 с концентрацией углерода 2,14...6,67 %

В сплаве III (рис. 3.4, а, б) между точками 1_т и 2_Ш из рас­плава выделяются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 °С при содержании углерода 4,3 % (точка С) жидкость

III (3,2 % С). IV (5,6 % С) Рис. 3.4. Часть диаграммы состояния Fe-Fe3Cдля белых чугунов (а), структурообразование типовых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и структурообразование сплава с содержанием углерода 4,3 % при температуре точки 2 (в)

распадается на механическую смесь аустенита и цементита — аустенитный ледебурит (рис. 3.4, в).

Такое превращение, протекающее при постоянной темпера­туре (участок 2_Ш-2'_Ш на кривой охлаждения сплава III), называ­ется эвтектическим, линияECF— линией эвтектического превра­щения, а сама механическая смесь — эвтектической. Сплавы, лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Между точками 2щ и З_ш из аустенита выделяется вторичный цементит (линияES,рис. 3.2), в этой области в равновесии на­ходятся фазы А + JI+ Ц„ = А + (А + Ц) + Ц„. При температуре 727 °С (участок З_ш-З(_и охлаждения сплава III) аустенит распа­дается с образованием перлита и ниже точки З_ш в равновесии находятся фазы П + JI+ Ц„. При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1_IVиз жидкости выделяются кристал­лы цементита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ниже точки 1_IV. Состав жидкой фазы изменяется по ли­нииDC.При достижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распадается на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке2_1V-2{_V(кривая охлаждения сплава IV). Дальнейшие превращения ана­логичны превращениям в сплаве III.

Сплавы железа с углеродом после окончания всех превраще­ний при температурах ниже 727 °С имеют различную структу­ру. Их условное изображение и микроструктуры показаны на рис. 3.5 и 3.6.

Количество углерода в составе сплава, а следовательно, и мар­ку стали можно приблизительно определить по микроструктуре сплава. Для этого по шлифу стали определяют площадь, занятую перлитом, и умножают на содержание углерода в нем. Количе­ство углерода в перлите составляет 0,8 %. Ввиду малой раствори­мости углерода в феррите содержание в нем углерода принима­ется равным нулю.

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличе­нием концентрации которого растёт количество цементита. Желе­зоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновес­ной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные
(0,02...0,8 % С, структура — Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура — перлит, строение которого может быть пластинча­тым или зернистым); заэвтектоидные (8...2,14 % С, структу­ра — П + Ц_п). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14...4,3 % С, структура — П + Ц_п + JI); эвтектические (4,3 % С, структура — JI) и заэвтектические (4,3...6,67 % С, структура —

ц, + Л).

Образование стабильной фазы (графита) в чугуне будет под­робно рассмотрено в разделе III.

 

 

 

т

П + Л(П + Ц) Ц,+ Л(П + Ц)

Рис. 3.5. Графическое изображение структур углеродистых сплавов

- Г 5- л

/Л V■ 'Ж;, Щ J

ф V*.

* *.

л

Puc. 3.6. Микроструктуры сталей и чугунов (окончание см. на с. 78): а — аустенит; б — феррит; в — сталь Зпс (Ф + П); г — сталь 35 (Ф + П); д — сталь 45 (Ф + П);

е — перлит пластинчатый

Рис. 3.6. Окончание (начало см. на с. 77): ж — перлит зернистый + перлит пластинчатый + сетка цементита (У 12); з —

зо

> п>> ф "С ш > со ф > Л> 1 X <Т>

и — эвтектический чугун (J1);к

доэвтектический чугун (П + JI); заэвтектический чугун (Ц + JI)

Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграмма состояния железо — цементит позволяет проследить за превращениями, происходящими при его нагреве и охлажде­нии, определить температуру начала и конца плавления (затвер­девания) сплава, выяснить температурные интервалы фазовых превращений, а также установить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

В соответствии с этой диаграммой назначают режимы тер­мической обработки сталей и горячей обработки металлов дав­лением. Из нее также получают другие необходимые для произ­водства сведения.