Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом. Сплавы железа с углеродом подразделяются на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода. Стали и чугуны являются основными конструкционными материалами, применяемыми в различных отраслях промышленности.
Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом дает возможность определить строение углеродистых сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры, выбрать режимы термической и других видов обработки.
При взаимодействии железа с углеродом образуется цементит - устойчивое химическое соединение Fe3C содержащее 6,67% углерода. Если цементит является самостоятельным компонентом, то диаграмму состояния сплавов железа с углеродом обычно рассматривают при содержании углерода до 6,67%. При большем содержании углерода сплавы становятся очень хрупкими и не пригодными для использования. Поэтому эту часть диаграммы называют диаграммой состояния «железо-цементит», на ней приведены две оси концентраций компонентов: одна показывает содержание углерода до 6,67%, а вторая – количество цементита до 100%.
Верхняя часть диаграммы «железо-цементит» представляет собой диаграмму состояния III рода (без верхнего правого угла) с ограниченной растворимостью в твердом состоянии на стороне железа и отсутствием растворимости со стороны цементита. Линия диаграммы ABCD – ликвидус, а линия AHJECF – солидус.
Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.
Железо имеет плотность 7,68 г/см3, температуру плавления 15360C. В зависимости от температуры железо может существовать в двух аллотропических формах. При температуре от 1392 до 15390C
Рис.7. Диаграмма состояний соединения «железо-цементит»
и ниже 9110C существует a-железо с решеткой ОЦК, а в интервале температур 911-13920C существует g-железо с решеткой ГЦК. До температуры 7680C железо обладает магнитными (ферромагнитными) свойствами, а при более высокой температуре оно теряет эти свойства. Железо обладает невысокими твердостью (НВ 80), прочностью (sв=250 Н/мм2)и достаточно высокой пластичностью (d5=50%, y=80%).
Углерод является неметаллическим элементом, его плотность составляет 2,25 г/см3. Углерод, как и железо, полиморфен и может существовать в виде двух основных модификаций: графита и алмаза. При нормальных условиях он существует в виде графита, имеющего простую гексагональную решетку, а при высоких давлениях и температурах – в виде алмаза, имеющего сложную кубическую решетку.
В сплавах системы «железо-цементит» основными фазами являются: жидкий раствор, феррит, аустенит и цементит.
Жидкий раствор (Ж) существует выше линии ликвидус, где при растворении углерода в железе образуется жидкая фаза.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеет низкую твердость и прочность, но хорошую пластичность. При температуре 14990С достигается максимальная растворимость в a-железе (0,1%). При снижении температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается: от 0,02% при температуре 7270С до 0,01% при температуре 6000С.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеет большие твердость и прочность, чем феррит при достаточно хорошей пластичности. Максимальная растворимость углерода в g-железе достигает 2,14% при температуре 11470С. При снижении температуры растворимость углерода в g-железе уменьшается и при 7270С составляет 0,8%.
Цементит (Ц) – карбид железа Fe3C образуется при содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Он обладает высокими твердостью и хрупкостью. На диаграмме состояния «железо-цементит» цементит обозначен с цифровыми индексами: ЦI – цементит первичный, кристаллизующийся из расплава (по линии DC); ЦII – цементит вторичный, выделяющийся из аустенита (по линии ES); ЦIII – цементит третичный, выделяющийся из феррита (по линии PQ).
В сплавах железа с углеродом образуется два типа механических смесей – перлит и ледебурит.
Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) тонких пластинок цементита с более толстыми пластинками феррита. Он образуется при распаде аустенита с содержанием углерода 0,8% при температуре 7270С.
Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, кристаллизующаяся из жидкой фазы с содержанием углерода 4,3% при температуре 11470С. Этот ледебурит называют высокотемпературным или аустенитным (ЛА); температурная область его существования от 1147 до 7270С. При температуре 7270С аустенит превращается в перлит, а ледебурит ниже этой температуры представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Поэтому этот ледебурит называют низкотемпературным или перлитным (ЛП). Ледебурит любой модификации (ЛА и ЛП) содержится только в чугунах и отсутствует в сталях.
На «стальном» участке диаграммы «железо-цементит» точка S (углерода 0,8%) называется эвтектоидной точкой, а линия PSK – эвтектоидной линией. В связи с этим углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются относительно эвтектоидной точки S на эвтектоидные (углерода 0,8%), доэвтектоидные (углерода менее 0,8%) и заэвтектоидные (углерода менее 0,8%). При температуре ниже 7270С микроструктура эвтектоидных сталей состоит только из перлита, доэвтектоидных – из феррита и перлита, заэвтектоидных – из перлита и цементита вторичного.
На чугунном участке диаграммы точка С (углерода 4,3%) называется эвтектической точкой, а линия ЕС – эвтектической линией. Чугуны по аналогии с углеродистыми сталями в зависимости от содержания углерода, но уже относительно эвтектической точки С, подразделяются на эвтектические (углерода 4,3%), доэвтектические (углерода менее 4,3%) и заэвтектические (углерода более 4,3%). При температуре ниже 7270С структура эвтектических чугунов состоит из эвтектики ледебурита низкотемпературного (ЛП), доэвтектических чугунов – из перлита и ледебурита (ЛП) и заэвтектических чугунов – из ледебурита (ЛП) и цементита первичного (ЦI).