Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Цель работы

Изучить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Разобраться с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и нагреве.

Наглядные пособия

Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C.

Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

Основные положения

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе «железо-карбид железа», и стабильном, отражающем превращения в системе «железо-графит». Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния «железо-карбид железа», т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния «железо-цементит» (Fe-Fe3C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. В железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или γ) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК – решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Feα. Имеет ОЦК – решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 ºC), при 20 ºC менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 ºC, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 ºC.

Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рисунок 6) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Рисунок 6 - Диаграмма состояния Fe – Fe3C.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограниченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 ºC)

ЖС→ (АЕ+ЦF);

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 ºC)

AS → (ФР + ЦК).

Ледебурит – это эвтектическая смесь аустенита и цементита.

Перлит - это эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы состояния Fе – Fе₃C

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD – линия выделения первичного цементита.

AE – заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF – линия эвтектического превращения.

GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).

GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK – линия эвтектоидного превращения.

ES – линия выделения вторичного цементита.

PQ – линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы состояния Fe – Fe₃C

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I – Жидкий раствор (Ж).

II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).

IV – Кристаллы аустенита (А).

V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф). VI – Кристаллы феррита (Ф).

VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).

VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).

IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).

XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).

XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Л пр).

XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).