Диаграмма СОСТОЯНИЙ железо — цементит
Диаграмма состояния железо — цементит представлена в упрощенном виде на рис. 13. Она показывает фазовый состав и структуру желе-зоуглеродистых сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% углерода).
В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит).
Жидкий сплав (Ж.) существует выше линии ликвидус ACD. Цементит Fe3C (Ц) — вертикальная линия DFKL. Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (А) — AESG.
На диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления железа/а;точка D (1600 °С) — температуре плавления цементита. Точка G (911 °С) |г- температура полиморфного превращения железа а у.
Точка Е соответствует предельному содержанию углерода в аусте- ните (2,14% при температуре 1147 °С). При понижении температуры растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ES. В точке S она составляет 0,8% при 727 °С.
Точка Р — предельное содержание углерода в феррите 0,02% при 727 °С. При охлаждении до комнатной температуры растворимость углерода в феррите уменьшается по линии PQ до 0,005%.
При температуре 1147 °С жидкий сплав, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики (механической смеси двух фаз аустенита и цементита). При этом образуется структура ледебурита. Точка С на диаграмме — точка эвтектики, линия ECF — линия кристаллизации эвтектики.
При температуре 727 °С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается на две фазы — цементит и феррит, т.е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S — точка эвтектоида, линия PSK — линия эвтектоидного превращения.
Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.
Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затвердевания сплавы имеют однофазную структуру — аустенит.
При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы при температурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147 °С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3% С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердения доэвтектические сплавы состоят из аустенита и ледебурита.
В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67% С, с понижением температуры до линии ликвидус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147 °С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного I цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.
Эвтектический сплав (4,3% С) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтектики — ледебурита (А + Fe3C).
После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным пре-вращением железа и с изменением растворимости углерода в аустени- те и в феррите с понижением температуры.
Сплавы, содержащие до 0,02% С (точка Р), испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение у <-> а между линиями GOS и GP. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).
Сплавы, содержащие 0,02—0,8% С, называют доэвтектоидными. Эти сплавы после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начинают расти зерна феррита. При достижении 727 °С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.
В эвтектоидном сплаве (0,8% С) при температуре 727 °С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.
При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от.. 0,8 до 2,14% С) до температур, соответствующих линии ES, из аустенита выделяется' цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727 °С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.
В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727 °С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структура доэвтектических сплавов после окончательного охлаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
Эвтектический сплав (4,3% С) при температурах ниже 727 °С состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
При температурах ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют различную структуру, но фазовый состав их одинаков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.
Согласно диаграмме состояния железо — цементит в результате первичной кристаллизации у сплавов, содержащих менее 2,14% ^углерода, получается структура аустенита, а у сплавов, содержащих более 2,14% углерода, структура состоит из ледебурита с избыточным аусте- нитом или цементитом.
Это различие в структуре при. высоких температурах создает существенное различие в технологических и механических свойствах сплавов. Присутствие эвтектики в высокоуглеродистых сплавах делает их нековкими, но позволяет применять в качестве литейных материалов, так как эти сплавы имеют низкую температуру плавления.
Низкоуглеродистые сплавы не содержат хрупкой структурной составляющей — ледебурита после затвердевания и при высоком нагреве обладают высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.
Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталями.
Сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называют чугунами.
Различают три группы сталей:
— эвтектоидные, содержащие около 0,8% углерода, структура которых состоит из перлита;
— доэвтектоидные, содержащие углерода меньше 0,8%, структура которых состоит из феррита и перлита;
— заэвтектоидные, содержащие углерода от 0,8 до 2,14%, структура которых состоит из перлита и цементита.