Диаграмма состояния железо-цементит

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему, производство чугуна и стали намного (более чем в 10 раз) превосходит производство всех других металлов вместе взятых.

Диаграмма состояния железо углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Сталью называют сплавы железа с углеродом, содержание углерода до 2,14 %, а чугуны – сплавы, содержание углерода свыше 2,14%.

Железо образует с углеродом химическое соединение: (карбид железа) Fe₃C – цементит. Известно, что устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму можно рассматривать по частям. Поэтому диаграмму железо-углерод рассматривают на участке от железа до цементита, тем более, что на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 5% (цементит содержит 6,67%). В данном случае компонентами системы считают железо и цементит.

Свойства компонентов

Железо – металл серебристо-белого цвета, кристаллизуется при температуре 1539⁰С. В твердом состоянии железо существует в двух полиморфных модификациях α и γ:

α – Fe имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба и существует при температурах ниже 911⁰С;

γ – Fe имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и сохраняется в интервале температур ниже 911 - 1392⁰С;

δ – Fe имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, является высокотемпературной модификацией α – Fe и существует при температурах 1392 – 1539⁰С.

При температуре 768⁰С (точка Кюри) железо меняет магнитное состояние: ниже 768⁰С железо ферромагнитно, а выше – немагнитно.

Второй компонент системы – цементит (карбид железа Fe₃C), он имеет ромбическую решетку, температура плавления 1250⁰С, является неустойчивым соединением и в определенных условиях(высокие температуры и большое содержание углерода) разлагается на железо (Feγ или Feα) и углерод в виде графита, что имеет большое значение в структурообразовании чугуна.

Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

На диаграмме Fe – Fe₃C различают в твердом состоянии три фазы: феррит, аустенит, цементит и три структурные составляющие: перлит, ледебурит эвтектический и ледебурит превращенный.

Феррит Ф – твердый раствор внедрения углерода в α – Fe при 727⁰С может содержать 0,02% углерода, при комнатной – около 0,01%, пластичный, имеет твердость около 600 МПа. При растворении в феррите марганца, кремния, фосфора твердость повышается до 900 МПа. Феррит ферромагнитен до температуры 768⁰С, является чистым железом, имеет предел прочности примерно 250 МПа.

Аустенит А - твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe. При 1147⁰С может содержать до 2,14% углерода, при 727⁰С – 0,8%. Аустенит немагнитен, вязок, имеет твердость до 2000 МПа (назван по имени английского ученого Р. Аустена).

Цементит Ц – карбид железа Fe₃C, содержит 6,67%С, хрупкий, твердость 8000 МПа, слабомагнитный (при 217⁰С полностью теряет магнитные свойства). Различают цементит первичный, вторичный и третичный. Цементит первичный кристаллизуется из жидкого сплава по линии DC. Цементит вторичный выпадает из аустенита по линии ES и располагается по границам зерен перлита. Цементит третичный выделяется из феррита по линии PQ.

Кроме того, в эвтектическом сплаве цементит кристаллизуется (одновременно с аустенитом) из жидкого сплава эвтектической концентрации точки С (4,3% С), а в эвтектоидном сплаве образуется (одновременно с ферритом) при распаде аустенита эвтектоидного состава точки S (0,83% С).

Перлит П – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется в результате распада аустенита концентрации точки S при температуре 727⁰С и содержит 0,83% С. Перлит может быть пластинчатым и зернистым. Твердость перлита увеличивается с его дисперсностью. Твердость зернистого перлита 1600 – 2200 МПа, а пластинчатого – 2000 – 2500 МПа.

Ледебурит Л – эвтектика, представляет собой эвтектическую смесь цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Кристаллизуется ледебурит из жидкого сплава концентрации точки С при температуре 1147⁰С. Назван по имени немецкого ученого А. Ледебура.

Ледебурит превращенный состоит из цементита первичного и перлита, существует при температурах ниже 727⁰С, отличается большой твердостью (7000 МПа) и хрупкостью.

Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C) представлена на рис. 1.1. По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита. Видно, что количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода. На левой оси ординат диаграммы точка А (1539⁰С) отвечает температуре плавления железа; точки N (1392⁰С) и G (911⁰С) соответствуют полиморфным превращениям α↔γ. До температуры 911⁰С существует Feα с решеткой ОЦК, от 911⁰С до 1392⁰С существует Feγ с решеткой ГЦК и свыше 1392⁰С - Feδ с решеткой ОЦК.

Правая ордината диаграммы соответствует цементиту, точка Д отвечает температуре плавления цементита.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C следующая: В – 0,51%C, Н – 0,1%С, J – 0,16%С (1499⁰С), Е – 2,14%С, С – 4,3%С (1147⁰С), Р – 0,02%С, S – 0,83%С (727⁰С).

Рис. 1.1 Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

 

Линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл:

АВСD – линия ликвидус, соответствует температурам начала кристаллизации из жидкого сплава при его охлаждении (или конца плавления при нагреве). По АВ из жидкого сплава начинает кристаллизоваться феррит – δ (Ф_δ), по ВС –аустенит (А), по линии СD –цементит первичный (Ц_I). Поэтому в области АВН существует жидкость и феррит – δ, в области ВСЕJ – жидкость и аустенит, в области СДF – жидкость и цементит первичный.

Линия АНJECF –солидус, соответствует окончанию кристаллизации при охлаждении сплава (или началу плавления при нагреве). Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

Линия ECF (1147⁰С) – линия эвтектического превращения; по достижении температуры соответствующей линии ECF из жидкости эвтектического состава (С=4,3%) одновременно выделяются кристаллы аустенита состава точки Е и цементита первичного. Образовавшуюся эвтектическую смесь кристаллов аустенита и цементита первичного называют ледебуритом (Ж_сА_Е+Ц_I).

Точка Е диаграммы показывает максимальную растворимость углерода в аустените при 1147⁰С. Она принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали (до 2,14%С) и чугуна (свыше 2,14%С).

Стали после затвердевания не содержат хрупкой составляющей – ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами и относятся к литейным сплавам.

В результате первичной кристаллизации (кристаллизации из жидкого сплава) у всех сталей получается структура аустенита; у чугунов структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Превращения в сплавах Fe-Fe₃C после затвердевания связаны с полиморфными превращениями железа и изменением растворимости углерода в аустените и феррите. Наиболее важные превращения в твердом состоянии описываются следующими линиями.

Линия GS соответствует началу выкристаллизовывания феррита из аустенита (при охлаждении сплава). Углерод понижает температуру полиморфного превращения железа поэтому с увеличением его содержания до 0,83% температура снижается от 911⁰С до 727⁰С.

Линия GP соответствует концу превращения аустенита в феррит, поэтому область GPQ характеризует феррит.

SE – линия предельной растворимости углерода в аустените. При понижении температуры от 1147⁰С до 727⁰С растворимость углерода уменьшается от 2,14 до 0,83 % С. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала выделения цементита вторичного из аустенита, а при нагреве – температурам окончания растворения цементита вторичного в аустените. В условиях равновесия точки линии SE принято обозначать А_ст.

PSK (727⁰С) – линия эвтектоидного превращения. Во всех сплавах между точками P и K при содержании углерода от 0,02 до 6,67% по достижении температуры, соответствующей линии PSKаустенит эвтектоидного состава (0,83%) перекристаллизовывается в эвтектоидную феррито-цементитную смесь, получившую название перлит (А_S(Ф_Р+Ц_II)П ). Точки, соответствующие линии PSK, в условиях равновесия обозначают А₁.

Линия МО на диаграмме соответствует температуре точки Кюри (768⁰С), при охлаждении парамагнитный феррит превращается в ферромагнитный, а при нагреве - наоборот.

PQ – линия предельной растворимости углерода в феррите. При понижении температуры от 727⁰С до комнатной растворимость углерода уменьшается от 0,02 до 0,01 %. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала выделения цементита третичного из феррита, а при нагреве – температурам окончания растворения цементита третичного в феррите.

Линия HJB (1499⁰С) – линия перитектического превращения; по достижении температуры соответствующей линии HJB протекает взаимодействие жидкого сплава состава В с кристаллами Ф_δ состава Н с образованием аустенита состава J: (ж_в+Ф_δн ¹⁴⁹⁹ А_J). Превращение охватывает сплавы, содержащие углерод от 0,1 до 0,51 %.

Структуры, образующиеся в железоуглеродистых сплавах в результате завершения вторичной кристаллизации, определяются содержанием в них углерода.

Стали по структуре (в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃С) разделяют на доэвтектоидные (С<0,83 %), эвтектоидные (С=0,83 %) и заэвтектоидные (С>0,83 %), в которых можно выделить четыре типа структур:

1 – феррит и цементит третичный. Присутствуют в сталях, содержащих от 0,01 до 0,02 % углерода. Такие стали называют техническим железом;

2 – феррит и перлит наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержащих от 0,02 до 0,83% С. Чем больше в стали углерода, тем больше в ней перлита. Количество перлита возрастает от нуля в точке Р до 100% в точке S;

3 – перлит – присутствует в эвтектоидной стали, содержащей 0,83% С;

4 – перлит и цементит вторичный, наблюдаются в заэвтектоидных сталях.

Чугуны по структуре разделяются на доэвтектические (2,14 – 4,3%) – структура перлит, ледебурит превращенный и цементит вторичный; эвтектические (4,3%) – структура ледебурит превращенный и заэвтектические (С= 4,3 – 6,67%С) – структура ледебурит превращенный и цементит вторичный.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Содержание углерода в доэвтектическом чугуне находится в пределах 2,14...4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита превращенного.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.

 

а) б) в) г)

Рис.4.2. Структурные составляющие в системе Fе-Fе₃С: а ‑ аустенит (увеличение х250); б ‑ феррит (х250); в ‑ ледебурит(х200); г ‑ перлит (х10000)

 

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.

Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометрической формы графитных включений называют: серыми (пластинчатый графит), ковкими (хлопьевидный графит), высокопрочными (шаровидный графит). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. В перлитных ─ 0.8 % углерода связанно в цементит, остальной углерод находится в свободном состоянии. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.

Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чугун). Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление разрушению σ_в в кг/мм² (в десятых долях МН/м²), например СЧ 24.

 

а) б) в) г)

Рис.4.3. Микроструктуры сплавов в системе Fе-Fе₃С (х200):

а ‑ доэвтектоидная сталь; б ‑ заэвтектоидная сталь; в ‑ доэвтектический чугун; г ‑ заэвтектический чугун

а) б) в) г)

Рис.4.4. Микроструктуры чугунов (х200): а ‑ ферритный серый; б ‑ ферритный ковкий; в ‑ перлитный ковкий; г ‑ ферритно-перлитный высокопрочный.

Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига белых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых ─ σ_в в кг/мм², второе ─ относительное удлинение δ в %, например, КЧ 37-12.

Высокопрочные чугуны получают путем модифицирования в ковшах расплава серого чугуна магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим σ_в в кг/мм², например ВЧ 65.