Диаграмма "Железо-углерод"

Диаграмма "Железо-углерод"

Компонентами данной системы являются железо и углерод. Железо - металл серебристо-белого цвета, атомный номер 26, атомный вес 55,85, атомный радиус 1,27 Å, температура плавления 1539 0С, плотность 7,86 г/см3. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью: НВ80, sв = 250 МПа, d = 50 %, j = 80 %; имеет три полиморфные модификации Fea, Feg и Fed.

Углерод - неметаллический элемент, атомный номер 6, атомный радиус 0,77 Å, атомный вес 12,01, температура плавления 3500 0С, плотность 2,5 г/см3. Углерод полиморфен. Он может образовывать три кристаллографические формы: графит, алмаз, фуллерен.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, с железом может образовывать химическое соединение - цементит.

На диаграмме ”Fe-C” могут быть четыре фазы:

1) жидкая фаза (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А); 4) цементит (Ц).

Жидкая фаза - существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в Fea.

Углерод располагается в решетке a-Fe в центре грани куба. Максимальная растворимость достигает 0,02 % С при 727 0С. При комнатной температуре максимально растворяется до 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Feg.

Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-Fe 2,14 % при 1147 0С и 0,8 % при 727 0С.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe3С.

В цементите содержится 6,67 % С. Он имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита точно не определена и составляет около 1500 0С. Цементит обладает очень высокой твердостью - порядка 800 НВ, хрупкий. До 217 0С имеет слабые ферромагнитные свойства. По моменту образования в сплаве цементит условно подразделяется на первичный (ЦI) - кристаллизуется из жидкой фазы, вторичный (ЦII) - выделяется из аустенита, третичный (ЦIII) - выделяется из феррита.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

В учебном пособии рассматривается упрощенная диаграмма ”Fe-С” без высокотемпературного участка перитектического превращения (рисунок 29).

Линии на диаграмме:

АСД - ликвидус; АЕСF - солидус; SЕ - линия предельной растворимости углерода в аустените; РQ - линия предельной растворимости углерода в феррите; GS- линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) - аустенита в феррит; РG - линия конца вторичной перекристаллизации; S - эвтектоидная точка; РSК - линия эвтектоидного превращения; С - эвтектическая точка; ЕСF - линия эвтектического превращения.

Сплавы на диаграмме:

  • до 0,02 % С - техническое железо (феррит);
  • до 2,14 % С - углеродистые стали;
  • свыше 2,14 % С до 6,67 % С - углеродистые чугуны;
  • от 0,006 % С с до 0,8 % С - доэвтектоидные стали;
  • 0,8 % С - эвтектоидная сталь;
  • свыше 0,8 % С до 2,14 % С - заэвтектоидные стали;
  • от 2,14 % С до 4,3 % С - доэвтектические чугуны;
  • 4,3 % С - эвтектический чугун;
  • свыше 4,3 % С до 6,67 % С - заэвтектическими чугуны;
  • 6,67 % С - цементит.

Эвтектоид представляет собой мелкодисперсную механическую смесь двух фаз - феррита и цементита вторичного (Ф+ЦI) и называется перлитом (П). Эвтектоид образуется при строго определенном количестве углерода в сплаве - 0,8 %. Эвтектоидное превращение (при охлаждении) идет при постоянной температуре (727 0С):

https://lh4.googleusercontent.com/-r1g4tR5XSEs/VuhT0J0t6YI/AAAAAAAAA2Q/p6aKb4qxJkgQvQDgING6hadz13mceTY_Q/w913-h544-no/img38.JPEG

Рисунок 29 - Диаграмма состояния сплавов системы «железо-углерод» и кривые охлаждения

Эвтектика представляет собой мелкозернистую механическую смесь двух фаз – аустенита и цементита первичного (А+ЦI) при 1147 0С и называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (1147 0С), когда жидкая фаза имеет строго определенное содержание углерода - 4,3 %:

Фазовые превращения в сплавах при охлаждении прослеживаются по кривым охлаждения.

Сплав I содержит 0,8 % С и является эвтектоидным. Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки S в сплаве не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. При температуре 727 0С (точка S) весь аустенит превращается в перлит. После эвтектоидного превращения феррит содержит 0,02 % С. 

По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,006 %. Избыток углерода идет на образование цементита третичного (ЦIII). Структура стали при комнатной температуре перлит. Из-за небольшого количества в сплаве цементит третичный на диаграмме не указывается.

Сплав II является заэвтектоидным. От точки 3 до точки 4 идет кристаллизация аустенита. В точке 4 кристаллизация завершается, и сплав охлаждается без фазовых превращений до точки 5, которая соответствует предельной растворимости углерода в аустените. 

По мере охлаждения содержание углерода снижается до 0,8 %. Избыток углерода идет на образование цементита вторичного (ЦII). При температуре 727 0С идет эвтектоидное превращение (точка 6). В результате охлаждения сплава до комнатной температуры образуется цементит третичный (ЦIII). Структура стали - перлит и цементит вторичный (располагается по границам зерен перлита).

Сплав III является эвтектическим чугуном и содержит 4,3 % С. При охлаждении сплава при температуре 1147 0С (точка С) вся жидкая фаза превращается в ледебурит, в котором аустенит содержит 2,14 % С. По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,8 %. Избыточный углерод образует цементит вторичный. В точке 7 идет эвтектоидное превращение, а ниже, по мере охлаждения, образуется цементит третичный (ЦIII). Изменение фазового состава эвтектического сплава происходит по схеме

Структура эвтектического чугуна - ледебурит.

Сплав IV является заэвтектическим сплавом. От точки 8 до точки 9 идет кристаллизация первичного цементита (ЦI). В точке 9 жидкая фаза достигает эфтектической концентрации (4,3 % С) и идет эвтектическое превращение, образуется ледебурит. Превращение ледебурита до комнатной температуры аналогично сплаву III. Структура сплава - иглы первичного цементита и ледебурит.

Все углеродистые чугуны имеют температуру конца кристаллизации ниже, чем углеродистые стали, так как содержат в своем составе эвтектику (ледебурит). Этим определяются высокие литейные свойства чугунов (жидкотекучесть, небольшая усадка и малая склонность к поглощению газов) и отсутствие пластичности из-за повышенного содержания цементита.

Микроструктура железоуглеродистых сплавов приведена на рисунке 31.