Характерные линии диаграммы
ABCD – линия ликвидус, AHJECFD – линия солидус. Между этими линиями происходит кристаллизация сплавов.
Первичная кристаллизация сплавов, содержащих до 0,1% углерода, начинается с выделения из жидкости δ-феррита, который затем в результате полиморфного превращения железа-α(δ) в железо-γ превращается в аустенит.
При первичной кристаллизации сплавов, содержащих 0,1...0,5% углерода, происходит перитектическое превра-
Таблица 4.1
Характерные точки диаграммы состояния "Fe – Fe3C"
|
Обозначение точки |
Координаты |
Обозначение точки |
Координаты |
||
|
t, °С |
С, % |
t, °C |
С, % |
||
|
А |
1539 |
0 |
Е |
1147 |
2,14 |
|
Н |
1499 |
0,1 |
С |
1147 |
4,3 |
|
./ |
1499 |
0,16 |
F |
1147 |
6,67 |
|
В |
1499 |
0,51 |
G |
910 |
0 |
|
N |
1392 |
0 |
Р |
727 |
0,02 |
|
D |
1260 |
6,69 |
S |
727 |
0.8 |
|
К |
727 |
6,67 |
|||
|
Q |
20 |
0,006 |
|||
Рис. 4.4. Диаграмма состояния "железо – цементит"
щение. Выделяющийся из жидкости δ-феррит при температуре 1499 °С вступает в реакцию с жидкостью, в результате перитектическогопревращения (см. 3.4.4) образуется аустенит: 
При содержании в сплаве углерода в количестве менее 0,16% после перитектического превращения сохраняется избыточный δ-феррит, который затем в результате полиморфного превращения (Feδ → Fe. ) превращается в аустенит. В сплавах с ОГЛАВЛЕНИЕм углерода более 0,16% после перитектического превращения сохраняется избыточная жидкость, которая при дальнейшем охлаждении кристаллизуется в аустенит.
Поскольку перитектическая реакция у сплавов, содержащих до 0,5% углерода, приводит к образованию аустенита, а первичная кристаллизация всех остальных сплавов, содержащих 0,5...2,14% С, также осуществляется превращением жидкости в аустенит, то при дальнейшем изучении превращений в сплавах "железо – цементит" при охлаждении перитектическое превращение подробно рассматриваться не будет.
Линии CD, SE и QP диаграммы имеют одинаковый смысл. Они указывают на повышение растворимости углерода в растворах при нагреве и на уменьшение его растворимости при охлаждении (соответственно в жидком растворе, аустените и феррите). В результате при охлаждении сплавов вследствие уменьшения растворимости углерода в растворах из них выделяется избыточный углерод в виде высокоуглеродистой фазы – цементита, который получил соответствующее название и обозначение.
Цементит первичный (ЦI) – выделяется при первичной кристаллизации из жидкости в сплавах, содержащих 4.3...6.67% углерода (область CDF). При дальнейшем охлаждении он не претерпевает никаких превращений. Его зерна (кристаллиты) – наиболее крупные.
Цементит вторичный (ЦII) – выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита в интервале температур 1147.. .727 °С и сохраняется при дальнейшем охлаждении. Имеет более мелкие зерна.
Цементит третичный (ΠIII) – выделяется из феррита при охлаждении ниже 727 °С у всех сплавов, содержащих более 0,006% углерода. Ц|III в виде очень мелких зерен присутствует в структуре в качестве самостоятельной фазы или в составе перлита и ледебурита перлитового.
ECF и PSK – линии эвтектического и эвтектоидного превращений (напомним эти превращения: Ж4,3→ЛА (А2,14 + + Ц6,67] – эвтектическое и Ao,8 → П |Ф0,02 +Ц6,67] – эвтектоидное). Эвтектическое пре́вращение претерпевают все сплавы, лежащие правее точки Е (2,14% С), эвтектоидное – все сплавы, лежащие правее точки Р (0,02% С).
Рассмотрим превращения, протекающие в характерных сплавах системы "железо – цементит" при охлаждении (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Превращения в железоуглеродистых сплавах
Сплав I (менее 0,006% углерода). До температуры 1 сплав представляет собой жидкий раствор. В интервале температур 1 (ликвидус) – 2 (солидус) протекает первичная кристаллизация жидкости в феррит-δ, который затем охлаждается в интервале 2–3. При температурах 3–4 в результате полиморфного превращения железа-α(δ) в железо-γ происходит превращение феррита-5 в аустенит, а при температурах 4–5 – охлаждение аустенита. В интервале температур 5–6 аустенит превращается в феррит вследствие полиморфного превращения железа-γ в железо-α. При дальнейшем охлаждении с ферритом никаких превращений не происходит. В результате получается сплав с однофазной структурой феррита (однородный твердый раствор Ф).
Сплав II (0,006...0,02% углерода). При охлаждении в интервале температур 1–6 происходят такие же превращения, что и в сплаве I. Затем происходит охлаждение феррита (6–7), из которого при температуре 7 вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите начинает выделяться цементит третичный (по линии PQ). Его количество увеличивается при дальнейшем охлаждении, а сам феррит обедняется углеродом до 0,006%. Окончательная структура – двухфазная, представляющая смесь феррита и цементита третичного, выделяющегося по границам зерен твердого раствора (Ф + ЦIII).
Сплав III (доэвтектоидный: 0,02...0,8% углерода). Жидкость в процессе первичной кристаллизации в интервале ликвидус (1) – солидус (2) превращается в аустенит, который затем охлаждается (2–3) и при температуре 3 вследствие полиморфного превращения железа-γ в железо-α начинает превращаться в феррит. Это превращение продолжается при охлаждении в интервале температур 3–4, но до конца не происходит. В процессе превращения количество феррита увеличивается и достигает при температуре 4 относительного количества, соответствующего (для данного сплава) отрезку 4S. Количество аустенита уменьшается, но к концу превращения сохраняется в количестве, соответствующем отрезку Р4. Одновременно выделение феррита, содержащего очень мало углерода, вызывает обогащение углеродом остающегося аустенита. Концентрация углерода в аустените изменяется по линии GS и достигает 0,8%. В результате при температуре 4 (727 °С) оставшийся аустенит имеет эвтектоидный состав и превращается в перлит. Окончательная структура сплава – феррит и перлит (Ф + П) (рис. 4.6, а и 4.6, д).
Рис. 4.6. Микроструктура сталей (сплавов, содержащих 0,02–2,14% углерода):
доэвтектоидная сталь 0,4% С: а – × 500, д – × 1500; эвтектоидная стать 0,8% С: 6 – × 500, е – × 1500; заэвтектоидная сталь 1,2% С: структуры пластичные: в – × 500; ж – × 1500; зернистые: г – × 500; з – × 1500
Сплав IV (эвтектоидный: 0,8% углерода). Химический состав этого сплава соответствует содержанию углерода в эвтектоиде – перлите. Поэтому после всех превращений, протекающих в интервале температур 1–3 и аналогичных превращениям в сплаве III, весь аустенит при температуре 3 (727 °С) превращается в перлит (ферритно-цементитную эвтектоидную смесь), который и сохраняется при дальнейшем охлаждении. Его структура приведена на рис. 4.6, б и 4.6, е.
Сплав V (заэвтсктоидный: 0,8...2,14% углерода). Первичная кристаллизация протекает в интервале температур 1–2 (аналогично сплавам III и IV) и приводит к образованию аустенита, который охлаждается до температуры 3, не претерпевая изменений. При дальнейшем охлаждении в интервале температур 3–4 из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените выделяется вторичный цементит по линии ES. Аустенит обедняется углеродом, концентрация которого при температуре 4 достигает 0,8%. Аустенит с эвтектоидной концентрацией углерода (0,8%) превращается в перлит при температуре 4 (727 °С). При дальнейшем охлаждении сохраняется структура, состоящая из перлита и цементита вторичного (П + Ци), показанная на рис. 4.6 (в, г, ж, з).
Сплав VI (доэвтектический: 2,14...4,3% углерода). Первичная кристаллизация начинается на ликвидусе (1) с выделения из жидкости аустенита. При охлаждении в интервале температур 1–2 его количество увеличивается и соответствует при температуре 2 отрезку 2С, а концентрация углерода в нем, изменяясь по линии солидус JE, достигает предельной растворимости, равной 2,14% (проекция точки Е). Одновременно к концу кристаллизации сохраняется некоторое количество жидкости (отрезок Е2), концентрация углерода в которой, изменяясь по линии ликвидус ВС, соответствует эвтектическому составу (4,3% углерода). В результате первичная кристаллизация завершается при температуре 2 (1147 °С) эвтектическим превращением; оставшаяся жидкость затвердевает в ледебурит аустенитовый (аустенитно-цементитная смесь). После кристаллизации сплав имеет структуру: аустенит и ледебурит аустенитовый (А + ЛА). При охлаждении в интервале 2–3 вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените по линии ES из аустенита выделяется цементит вторичный; аустенит при этом обедняется углеродом до 0,8%. При температуре 3 (727°С) аустенит, получивший эвтектоидный химический состав, превращается в перлит. Поскольку это превращение претерпевает и аустенит, входящий в состав ледебурита, то ледебурит аустенитовый становится ледебуритом перлитовым (перлитно-цементитная смесь). Окончательная структура сплава после охлаждения – перлит, ледебурит перлитовый и цементит вторичный (П + ЛП + ЦII). Эта микроструктура приведена на рис. 4.7, а.
Сплав VII (эвтектический: 4,3% углерода). Поскольку сплав по своему химическому составу является эвтекти-
Рис. 4.7. Микроструктура чугунов (сплавов, содержащих 2,14...6,67% углерода):
а – доэвтектический; б – эвтектический; в – заэвтектический
ческим, то вся жидкость при температуре 1 (1147 °С) кристаллизуется с образованием ледебурита аустснитового (ЛА), который при дальнейшем охлаждении при температуре 2 (727 °С) превращается в ледебурит перлитовый (ЛП) (рис. 4.7, б).
Сплав VIII (заэвтектический: более 4,3% углерода). Первичная кристаллизация при температуре 1 начинается с выделения из жидкости зерен цементита первичного (в соответствии с линией DC), который является избыточным компонентом. При охлаждении в интервале 1–2 количество цементита увеличивается, его зерна растут, а количество жидкости уменьшается. При этом она обедняется углеродом; концентрация углерода в жидкости, изменяясь по линии ликвидус DC, достигает к концу кристаллизации 4,3%. Это соответствует эвтектическому составу. Первичная кристаллизация заканчивается при температуре 2 (1147 °С) эвтектическим превращением. Оставшаяся к концу кристаллизации жидкость (отрезок 2F) превращается в ледебурит аустенитовый, который при дальнейшем охлаждении при температуре 3 (727 °С) превращается в ледебурит перлитовый аналогично тому, как это было в сплавах VI и VII. Структура, сформировавшаяся в результате рассмотренных превращений, представляет собой смесь ледебурита перлитового и цементита первичного (ЛП + ЦI) (рис. 4.7, в).
Следует отметить, что фазы более низкого уровня (ЦП, ЦП) указываются на структурной диаграмме только в тех случаях, когда в структуре отсутствует фаза более высокого порядка. Например, в сплавах с ОГЛАВЛЕНИЕм углерода более 4,3% между линиями ECF и PSK (см. рис. 4.5) из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется цементит вторичный, однако на диаграмме его не указывают, так как в структуре присутствует первичный цементит. Это связано с тем, что выделяющиеся кристаллы избыточной фазы осаждаются на уже готовых центрах кристаллизации – кристаллах фазы более высокого уровня (например, ЦII на ЦI) и структурно не выявляются.
На основе анализа превращений, протекающих в рассмотренных сплавах системы "железо – цементит", и получившихся в результате этих превращений структур можно выделить три группы сплавов в зависимости от концентрации углерода. При их определении принято учитывать технологические возможности получения из них заготовок (деталей).
Техническое железо – сплавы, содержащие до 0,02% углерода. Их структура – феррит (до 0,006% углерода) или феррит и цементит третичный (0,006...0,02% углерода). Техническое железо обладает высокой пластичностью и хорошими магнитными свойствами. Цементит третичный, выделяющийся по границам зерен феррита, снижает пластичность. Техническое железо часто называют ферритным железом, его структурная особенность – в структуре отсутствует перлит.
Стали – деформируемые сплавы железа с углеродом (0,02...2,14% углерода). В результате первичной кристаллизации или при нагреве выше линии GSE (например, слитков или заготовок) они приобретают однофазную структуру аустенита, обладающего высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при повышенных температурах, а низкоуглеродистые и среднеуглеродистые и при температурах цеха, т.е. без нагрева. Заготовки (детали) из сталей получают различными операциями пластического деформирования (ковка, прокатка, штамповка, волочение и т.п.).
По содержанию углерода (структурный признак) различают стали:
– доэвтектоидные с углеродом до 0,8% и структурой феррита и перлита (Ф + П);
– эвтектоидные с углеродом 0,8% и структурой перлита (ii);
– заэвтектоидные с углеродом более 0,8% и структурой перлита и цементита вторичного (П + ЦII).
Структурная особенность – наличие в структуре перлита и отсутствие ледебурита.
Чугуны – литейные сплавы железа с углеродом (2,14... ...6,67% углерода). Они содержат в структуре после первичной кристаллизации хрупкий ледебурит с избыточным аустенитом или цементитом первичным. Наличие большого количества твердого, непластичного цементита определяет весьма низкую пластичность чугунов, их невозможно пластически деформировать. Вместе с тем чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, чем стали, поскольку имеют более низкую температуру кристаллизации, меньшие ликвацию и усадку и хорошую жидкотекучесть (см. 11.2.1 и 11.2.2). Заготовки (детали) из чугуна получают литьем.
Структурная особенность – наличие в структуре ледебурита.