Диаграмма состояния системы железо—углерод

Технически чистое железо

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗО — УГЛЕРОД

Лекция 7.

Железо обычно содержит примеси. Можно получить железо высокой степени чистоты 99,99 % и более. В большинстве случаев используют технически чистое железо (Армко-железо), содержащее 99,8...99,9 % Fе и 0,1...0,2% примесей. Температура плавления этого железа 1539 °С. Технически чи­стое железо известно в двух аллотропических модификациях Fe_α и Fе _γ..

Модификация Fe_α существует в двух интервалах темпера­тур: ниже 911 °С и от 1392 до 1539 °С (см. рис. 4.9). С угле­родом Fe_α образует твердый раствор внедрения, называемый ферритом. При 727°С растворяется до 0,025% С; с пониже­нием температуры до комнатной растворимость углерода в Fe_α уменьшается до 0,002% (по некоторым данным, до 0,006%), а с повышением температуры до 911 °С—до ноля.

Феррит, который иногда принимают за технически чистое железо, при комнатной температуре имеет следующие механи­ческие свойства: σ_в = 300...350 МПа, σ_0,2 = 120...150 МПа, δ = 45...50%, ψ = 65...70%, KCU=2,5..3,0 МДж/м², НВ 90... 100.

Модификация Fе_γ существует в интервале температур 911... 1392 °С. С углеродом Fе_γ образует твердый раствор внедре­ния, называемый аустенитом. Он обладает высокой пластич­ностью, низким пределом текучести и прочности. Критическую точку на кривой нагрева железа, связанную с магнитным пре­вращением, называют точкой Кюри и обозначают Ас₂ , а точки, связанные с аллотропическими превращениями

Fе_α → Fе_γ при 911 °С, обозначают Ac₃ и Fе_γ → Fе_α при 1392 ^oС —Aс₄. При охлаждении эти точки соответственно обозначают Аr₄, Аr₃ и Ar ₂ (см. рис. 4.9).

Чистое железо с углеродом образует еще химическое со­единение — карбид железа Fе₃С, который называют цементи­том. Последний содержит 6,67 % С и имеет температуру плав­ления 1500 °С. Цементит имеет высокую твердость (НВ 750... 800) и практически не обладает пластичностью; при 217 °С и выше—немагнитен.

Цементит — неустойчивое химическое соединение и при оп­ределенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по следующей реакции: FезС → ЗFе+С.

Диаграмма состояния системы железо—углерод построена благодаря работам многих ученых. Начало этих работ отно­сится к 1868 г., когда Д. К. Чернов впервые установил кри­тические точки превращений в стали при нагреве. Он указал, что при температуре примерно 700 °С существует критическая точка а(A₁), ниже которой сталь не принимает закалки, как бы быстро ее не охлаждали. Вторая критическая точка b(Аз) переменная и зависит от содержания углерода в стали.

Диаграмма, состояния системы железо—углерод (рис. 7.1) рассматривает сплавы, содержащие до 6,67 % С (до 100 % FезС). На диаграмме сплошные линии представляют состоя­ние системы железо—цементит, а штриховые —системы же­лезо—углерод. Это связано с тем, что углерод в сплавах мо­жет находиться в виде графита и в виде цементита. Точки А и D - температура затвердевания (плавления) соответственно чистого железа и цементита. Кривая АВСD—линия ликви­дус, а кривая АН1ЕСF—линия солидус. Точка Е на линии солидус характеризует предельную растворимость углерода

0 10 20 30

Рис. 7.1. Диаграмма состояния системы Fе—С

(2,14%) в аустените при 1147 °С. Линия ЕСF— линия эвтек­тического превращения при 1147 °С, когда из жидкого сплава одновременно кристаллизуется эвтектика, состоящая из аустенита с предельной концентрацией углерода и цементита. Точки N и Q характеризуют аллотропические превращения соответ­ственно Fе_α ↔ Fе_γ при 1392 °С и

Fе_γ ↔ Fе_α при 911 °С. Линия ЕS показывает уменьшение предела

растворимости углерода в аустените с 2,14 до 0,8 % при понижении температуры с 1147 до 727 °С. Линия GS характеризует начало превращения аустенита в феррит при понижении температуры с 911 до 727 °С и увеличении содержания углерода в сплаве с 0 до 0,8 %. Линия РG характеризует конец пре­вращения аустенита в феррит. Точка Р свидетельствует о пре­дельной растворимости угле­рода (0,025 %) в Fе_α при 727 "С. На линии РSK проис­ходит превращение аустенита при 727 °С в эвтектоид, со­стоящий из феррита и цемен­тита. Линия РQ указывает на уменьшение растворимости углерода в Fе_α при понижении температуры с 727 до 20 °С. Точка Q характеризует пре­дельную растворимость угле­рода в Fе_α при комнатной температуре (0,002% С).

Для упрощения изучения диаграммы состояния системы Fе—С не будем учитывать превращения, связанные с образо­ванием феррита при высоких температурах (верхний левый угол диаграммы). При этом рассмотрим: 1) превращения, свя­занные с первичной кристаллизацией (эвтектические превра­щения); 2) превращения, связанные с вторичной кристаллиза­цией (эвтектоидные превращения).

Первичная кристаллизация

Рассмотрим процесс первичной кристаллизации сплавов (ус­ловно названных буквой К.) с разным содержанием углерода (рис. 7.2).

Сплав К.1, содержащий 1,2 %С, при охлаждении начинает затвердевать при температуре t_I. Из жидкого сплава выпадают кристаллы аустенита. Состав первых кристаллов аустенита оп­ределяется точкой b_o (примерно 0,3 % С). По мере понижения температуры количество твердой фазы увеличивается, при этом состав ранее выпавших и новых кристаллов аустенитаизменяется по линии солидус (АЕ), а жидкой фазы—по линии ликвидус (АС). Так, при температуре t₂<t₁ состав аустенита соответствует точке b₁ (примерно 0,8% С), а состав жидкой фазы—точке а₁ (примерно 2,2% С). При понижении темпера­туры образуются новые кристаллы с большим содержанием углерода, а ранее выпавшие кристаллы аустенита продолжают расти, обогащаясь углеродом, т. е. наращиваемые слои на поверхности кристаллов содержат больше углерода,

Рис. 7.2. Первичная кристаллизация сплавов Fе—С

чем цен­тральные. Это вызывает внутрикристаллическую, или дендрит­ную, ликвацию. Вследствие протекания диффузионных процес­сов в выпавших кристаллах происходит частичное вырав­нивание состава. Однако этот процесс протекает медленно, и затвердевший сплав имеет внутрикристаллитную ликвацию.

При температуре t₃, сплав полностью затвердевает, кристал­лизуясь в аустенит с концентрацией примерно 1,2% С. Про­цесс первичной кристаллизации данного сплава закончен.

Соотношение между количеством жидкой и твердой фазы при первичной кристаллизации для любой температуры можно определить по правилу отрезков, или рычага: отношение от­резков при данной температуре (например, при t₂), характе­ризующей в данный момент состав жидкой и твердой фаз, об­ратно пропорционально количеству жидкой Qж и твердой Qт фаз, т. е..

t₂a₁/t₂b₁ = Qт/Qж.

При затвердевании сплава К₁ система имеет одну степень свободы (С=К+1— Ф,==2+1—2=1); это означает, что, из­меняя температуру с t₁ до t₂, число фаз и равновесие системы не изменяются. Все сплавы, содержащие до 2,14% С, кри­сталлизуются аналогично. Эти сплавы называют сталью.

Сплав К₁₁, содержащий 3 % С, при охлаждении начинает затвердевать при температуре t₄,. Из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы аустенита состава b₂, (примерно 0,9% С). Состав твердой и жидкой фаз определится так же, как и для сплава K₁. При температуре t₅ состав твердой фазы опреде­лится точкой bз (примерно. 1,7% С), а жидкой—точкой а₂ (примерно 3,7% С). При достижении температуры t_э (1147 °С) жидкая фаза, обогатившись углеродом (до 4,3%), окончательно затвердевает при одновременной кристаллизации из нее аустенита предельной концентрации углерода и первич­ного цементита, образуя эвтектическую смесь, называемую ледебуритом.

Таким образом, структура сплава К₁₁ состоит из кристал­лов аустенита, окруженных ледебуритом. Все сплавы, содер­жащие 2,14...4,3% С, затвердевают аналогично. Эти сплавы называют чугунами.

Сплав К₁₁₁, содержащий 4,3 % С, кристаллизуется при по­стоянной температуре tэ = 1147 °С, образуя эвтектику (ледебу­рит), состоящую из аустенита предельной концентрации угле­рода и первичного цементита. Соотношение количества аусте­нита А и цементита Ц₁. в ледебурите также определяется по правилу отрезков:

А/Ц₁ = СF/ЕС.

При кристаллизации эвтектики одновременно существует три фазы: одна жидкая и две твердые {А+Ц₁). Эта система является нонвариантной (безвариантной), так как С = К+1—Ф=2+1—3=0 и процесс кристаллизации происхо­дит при постоянной температуре.

Сплав К._1У, содержащий 5 % С, при охлаждении начинает кристаллизоваться при температуре t₆, когда из жидкого сплава выпадают кристаллы первичного цементита (Ц₁}. Остающийся жидкий сплав обедняется углеродом, стремясь к эвтектиче­скому составу. При температуре t₇ состав жидкого сплава определяется точкой a₃ (примерно 4,5% С), а состав твердой фазы постоянен (6,67 % С). При понижении температуры до t_э (1147 °С) жидкая фаза достигает эвтектической концентра­ции и кристаллизуется в эвтектику, состоящую из аустенита и цементита. Процесс первичной кристаллизации сплава Кiv закончен. Структура сплава Кiv состоит из кристаллов первич­ного цементита, окруженных ледебуритом. Все сплавы, содер­жащие более 4,3 % С, кристаллизуются аналогично. Эти сплавы также относят к чугунам.

Таким образом, после первичной кристаллизации структура всех^- сплавов (сталей) с содержанием до 2,14 % С состоит из аустенита; структура сплавов (чугунов) с содержанием до 4,3% состоит из избыточного аустенита и ледебурита (эти чугуны называют доэвтектическими); структура чугуна с содержанием 4,3 % С состоит из ледебурита (эвтектический чугун); структура чугуна, содержащего более 4,3 % С, состоит из первичного цементита и ледебурита (эти чугуны называют заэвтектическими).

Вторичная кристаллизация.

При понижении температуры с 1147 до 727 °С (рис. 7.3) в спла­вах железо—углерод происходят превращения, связанные с уменьшением предела растворимости углерода в аустените (при содержании в сплаве больше 0,8% С) и с переходом аустенита в феррит (при содержании в сплаве меньше 0,8 % С).

В сталях, содержащих более 0,8 % С, при понижении температуры до 727^о С происходят превращения, с выделением углерода из аустенита по линии ЕS в виде вторичного цементита (в отличие от первичного, кристаллизую-

щегося из жидкой фазы); структура таких сталей состоит из двух фаз (А+Ц₁₁).

В сталях, содержащих менее 0,8 % С, при понижении тем­пературы ниже 911°С вторичная кристаллизация начинается на линии GS и заканчивается на линии РSК при 727 °С. При этом аустенит полностью распадается на феррит и вторичный цементит. Превращение при постоянной температуре, когда одна твердая фаза (А) одновременно выделяет две твердых фазы (А → Ф + Ц₁₁), называют эвтектоидным. Продукт эвтектоидного распада аустенита, состоящий из феррита и вторичного цементита (Ф+ Ц₁₁), называют перлитом. Эвтектоидное пре­вращение аустенита иногда называют перлитным превра­щением.

В результате вторичной кристаллизации структура чугунов также

Рис. 7.3. Вторичная кристаллизация сплавов Fе —С.

изменяется. В эвтектическом чугуне при понижении температуры с 1147 до 727 °С из аустенита, вхо­дящего в состав эвтектики, выделяется вторичный цемен­тит, который обычно в струк­туре не обнаруживается, так как он объединяется с пер­вичным цементитом. При 727 °С аустенит содержит 0,8 % С и превращается в перлит, т. е. ниже 727 °С.ледебурит представ­ляет собой смесь цементита и перлита.

В доэвтектическом чугуне в интервале температур 1147... 727 °С из структурно-свободного аустенита выделяется вторич­ный цементит, и структура чугуна состоит из А+Ц₁₁+Л. Вто­ричный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, объ­единяется с первичным цементитом. При 727 °С структурно-свободный аустенит и аустенит эвтектики, содержащий 0,8 % С, превращаются в перлит, и структура доэвтектического чугуна ниже 727 °С состоит из П+Ц₁₁+Л.

Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 727 °С состоит из первичного цементита и ледебурита.

Рассмотрим процесс вторичной кристаллизации сталей (ус­ловно названных буквой К) с разным содержанием углерода.

Сталь К_V, содержащая 0,8 % С, при температуре выше 727 °С состоит из аустенита. При 727 °С аустенит превраща­ется в перлит (смесь феррита и вторичного цементита). Струк­тура стали с содержанием 0,8 % С ниже 727 °С состоит из перлита. 112

Сталь K_V1, содержащая 0,3 % С, при охлаждении до темпе­ратуры t₁ претерпевает фазовое превращение, связанное с пе­реходом А—>Ф, причем состав первых кристаллов феррита оп­ределяется точкой b₁ (примерно 0,01% С). При дальнейшем понижении температуры состав феррита изменяется по линии РG, а состав аустенита—по линии GS. При температуре t₂ кристаллы феррита содержат примерно 0,025 % С (точка b₂), а в аустените содержание углерода повышается примерно до 0,5% (точка а₁). При дальнейшем понижении температуры состав аустенита стремится к эвтектоидному (0,8% С), а со­став феррита — к предельной концентрации углерода в Fе_α (0,025 % С). При температуре эвтектоидного превращения (727 °С) аустенит превращается в перлит, состоящий из феррита и вторичного цементита. Структура стали при температуре ниже 727 °С состоит из кристаллов феррита и перлита. Такую структуру имеют все доэвтектоидные стали с содержанием 0,025...0,8 % С.

Сталь К.₁, содержащая 1,2 % С, рассматривалась при первичной кристаллизации. При температуре tз аустенит оказывается перенасыщенным углеродом, который при дальнейшем понижении температуры выделяется в виде второй структурной составляющей — вторичного цементита. Следовательно, заэвтектоидные стали в интервале температур 1147...727 °С имеют двухфазную структуру (А+Ц₁₁). Снижение растворимости углерода в аустените происходит по линии ЕS. Так, при температуре t₄, аустенит содержит примерно 1 % С (точка а₂). При понижении температуры до 727 °С аустенит достигнет эвтектоидной концентрации углерода (0,8 % С) и превратится в перлит. Структура заэвтектоидной стали при температуре ниже 727 °С состоит из перлита и вторичного цементита (П+Ц₁₁).

При понижении температуры с 727 °С до комнатной растворимость углерода в феррите (в структурносвободном или в составе перлита) уменьшается по линии РQ, (см. рис. 7.3), так как при этих температурах феррит оказывается пересы­щенным углеродом. Избыточный углерод выделяется из фер­рита в виде третичного цементита. Эту структурную состав­ляющую можно обнаружить и следует учитывать в сталях с содержанием до 0,025 % С; при большем содержании угле­рода выделением третичного цементита можно пренебречь, так как его количество настолько мало, что практически в струк­туре он не обнаруживается и не оказывает влияния на меха­нические свойства стали.

Таким образом, после вторичной кристаллизации стали при температуре ниже 727^оС имеют следующую структуру: доэвтектоидные – феррит и перлит, эвтектоидные перлит и заэвтектоидные – перлит и вторичный цементит.