1. На диаграмме состояния (рис. 21) представлены две системы сплавов. Система Fе – Fе3С называется неустойчивой (метастабильной) в связи с тем, что цементит представляет собой неустойчивое соединение, способное при нагреве распадаться. Она показана сплошными линиями и характеризует стали и белые чугуны – сплавы со связанным углеродом.
Система Fе – С (стабильная) показана пунктирными линиями и характеризует сплавы, в которых углерод находится в свободном состоянии (графит).
При изучении превращений, происходящих в сталях, и белых чугунах, пользуются диаграммой Fе – Fе3С, а при изучении серых чугунов – обеими диаграммами (Fе – Fе3С и Fе – С). В практике термообработки черных металлов пользуются диаграммой Fе – Fе3С.
Точка А соответствует температуре плавления (затвердевания) чистого железа (1539 °С), точка D – температуре плавления цементита (~1250°С).
Рис. 21. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (в упрощенном виде)
Точка G – температура полиморфного превращения γ-железа в α–железо (911 °С).
Точка Р – предельная растворимость углерода в α-железе при температуре 727 °С, которая не превышает 0,02 %.
Точка S – предельное содержание углерода в перлите (0,8%).
Точка F – предельное содержание углерода в цементите (6,67%).
Точка E – предельное содержание углерода в аустените (2,14%).
Точка С – предельное содержание углерода в ледебурите (4,3%).
По характеру превращения сплавов с изменением температуры всю диаграмму можно разбить на две части: верхнюю, охватывающую первичную кристаллизацию сплавов, от линии ликвидуса АСD до линии солидуса АЕСF; нижнюю, охватывающую вторичную кристаллизацию сплавов и образование определенных структур, от линии солидуса до полного охлаждения.
Выше линии ликвидуса АСD сплавы любой концентрации находятся в жидком состоянии. Линия солидуса АЕСF показывает температуру затвердевания сплавов, на ней заканчиваются процессы первичной кристаллизации. Между линией солидуса и линией РSК, проходят процессы вторичной кристаллизации сплавов.
2. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе с гранецентрированной кубической решеткой с максимальным содержанием углерода 2,14%. Аустенит обладает большой вязкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию, химической стойкостью и твердостью НВ 170...220.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе с предельной концентрацией 0,02% при 727 °С и 0,006% - при нормальной температуре. Он имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Феррит имеет твердость НВ 80, он пластичен, хорошо обрабатывается давлением.
Цементит – химическое соединение железа с углеродом (Fе3С), содержащее 6,67% С. Он имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью, пластичность его близка к нулю. При медленном нагревании и выдержке при высокой температуре он распадается, выделяя свободней углерод в виде графита. Цементит, находящийся в чугуне, придает излому характерный белый цвет, отсюда и произошло название чугунов.
Перлит – эвтектоидная смесь зерен цементита и феррита, соответствующая полному распаду твердого раствора аустенита, содержащая 0,8 % С. Прочность перлита Gв = 550...1300 МПа, пластичность δ = 5...20 %, твердость 160...260 НВ.
Ледебурит – эвтектическая смесь, состоящая в момент образования из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Аустенит при 727 °С превращается в перлит, и при нормальной температуре ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Твердость ледебурита НВ 700, он очень хрупкий и содержит 4,3 % С.
3.По структурным составляющим, полученным в результате первичной кристаллизации, все сплавы системы Fе – Fе3С делятся на стали – сплавы, содержащие до 2,14% С, в которых не образуется ледебурита, и чугуны (белые) – сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % С, в которых образуется ледебурит.
Исходя из вышесказанного, по диаграмме состояния различают стали трех типов: эвтектоидные стали, содержащие 0,8 % С, доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С и заэвтектоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С.
По диаграмме состояния различают белые чугуны трех типов: эвтектический чугун, содержащий 4,3 % С, со структурой из эвтектики (ледебурит); доэвтектические чугуны, содержащие 2,14...4,3% С; заэвтектические чугуны, содержащие 4,3...6,67% С.