Теоретические сведения

Большинство технических материалов на основе железа синтезируются путем изменения содержания легирующих добавок к железу и соответствующей термообработкой. Важнейшее средство, позволяющее достичь необходимых свойств материала (твердости, пластичности и т.д) – использование диаграмм состояний сплавов железа с другими элементами, в частности, углеродом.

Диаграмма состояний железоуглеродистых сплавов отражает тот факт, что при соединении (сплавлении) чистого железа с углеродом возникает множество разнообразных материалов, отличающихся своими строением и физическими свойствами. Необходимо также иметь в виду, что диаграмма может быть представлена в двух вариантах: метастабильном (неустойчивом), реализующемся при кратковременной выдержке при данной температуре и равновесном (стабильном) возникающем при достаточно длительной выдержке.

Следует заметить, что наибольшее практическое значение имеет равновесная диаграмма состояния «железо - карбид железа», обсуждаемая ниже. Она ограничивается содержанием углерода, не выше 25 атомных процентов. Большинство технических железосодержащих сплавов превращения реализуются именно по этой диаграмме. Рассмотрим ниже ее особенности. Схема диаграммы состояния представлена на рис. 1.1.

 

Рис.1.1. Диаграмма состояния Fe – Fe3C

(в упрощенном виде)

 

По оси ординат на диаграмме откладывается температура, а по оси абсцисс – содержание углерода, выраженное в весовых (верхняя шкала) или атомных (нижняя шкала) процентов. Нуль процентов углерода соответствует чистому железу, имеющему ОЦК структуру и температуру плавления 1539^оС. Обычно технологов интересуют материалы, содержащие не более 6,67 вес.% углерода. Это значение соответствует соединению карбид железа, характеризующемуся химической формулой Fe₃C (или «Fe3C»). Данное соединение называется также цементитом, поэтому подобную стабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния «железо-цементит» (Fe-Fe3C). Ему соответствует правая граница диаграммы состояний рис. 1.1.

Линии диаграммы делят область диаграммы на подобласти, в которых устойчивы различные фазы I – XIV. К ним относятся следующие.

 

Области диаграммы состояния Fe – Fe3C

Линии диаграммы АС, CD и другие делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз, I - XIV. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние. Оно формируется в результате происходящих в сплавах превращений, осуществляемых при достаточно длительных выдержках. Рассмотрим кратко подобные равновесные состояния.

I – Расплав, представляющий однородный жидкий раствор (Ж), называемый также ликвидус (L).

II – Смесь жидкого раствора (Ж) и твердых кристаллов аустенита (А). Такое состояние называется также жидко-твердым.

III – Смесь жидкого раствора (Ж) и твердых кристаллов цементита первичного (ЦI) жидко-твердое состояние.

IV – Кристаллы аустенита (А) – твердое состояние.

V – Смесь кристаллов аустенита (А) и феррита (Ф) - двухфазное твердое состояние.

VI – Кристаллы феррита (Ф).

VII – Смесь 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).

XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI)перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).

Характеристики фазовых компонент: аустенит, феррит, перлит и т.д. обсуждаются ниже.

 

Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C

Расшифруем теперь значения линий диаграммы, формирующиеся при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже – в жидко-твердом или твердом.

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

АС – при охлаждении жидкого раствора из него 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.