Краткие сведения из теории

На рисунке 1 представлена диаграмма железо–углерод (железо–цементит). Левая ордината соответствует чистому железу (0 % С, 100 % Fе). Температуры, отмеченные на этой ординате, – критические точки железа. Правая ордината – сплав с содержанием углерода 6,67 %, т. е. цементит. Сплавы с большим содержанием углерода (> 5 %) практического применения не находят.

 

Рисунок 1 – Диаграмма железо–углерод (железо–цементит)

 

Структура стали и чугуна состоит из отдельных, прочно сцепленных между собой составляющих, отличающихся друг от друга химическим составом, внутренним устройством и свойствами. Так как эти составляющие имеют микроскопические размеры и обнаруживаются только с помощью микроскопа, они получили название микроструктурных составляющих. В целях сокращения их иногда называют структурными составляющими, опуская слово «микро».

При медленном затвердевании и дальнейшем медленном охлаждении в железоуглеродистых сплавах образуется шесть видов микроструктурных составляющих: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит и графит.

Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе. Растворимость углерода в гамма-железе зависит от температуры. В соответствии с этим аустенит имеет переменную растворимость: с повышением температуры растворимость углерода в аустените увеличивается, с понижением – падает. Максимальная растворимость углерода в аустените наступает при 1147 °С и составляет 2,14 %. Аустенит мягок, пластичен, хорошо куется (твердость НВ 160–200 кгс/мм²; d £ 30–40 %). В железоуглеродистых сплавах аустенит наблюдается при температурах выше 723 °С.

Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе. Растворимость углерода в феррите, как и в альфа-железе, переменная и зависит от температуры: с повышением температуры растворимость увеличивается, с понижением – падает. Максимальная растворимость углерода в феррите имеет место при 723 °С и составляет всего 0,025 %. С понижением температуры растворимость падает и при 0 °С составляет только 0,008 %. Столь ничтожное содержание углерода в феррите позволяет определить его как почти чистое железо. Феррит пластичен, мягок, это самая мягкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость НВ 80 кгс/мм²; d = 50 %).

Цементит (карбид железа Fе₃С) – химическое соединение железа с углеродом (6,67 %). Он хрупок, очень тверд. Это самая твердая микроструктурная составляющая (НВ 820 кгс/мм², d < 1 %).

Различают три вида цементита: первичный, вторичный и третичный. Первичный цементит – цементит, выпадающий из охлаждаемого жидкого сплава, при температурах 1147 °С и выше. Вторичный цементит – цементит, выпадающий из охлаждаемого аустенита при температурах 727 °С и выше. Третичный цементит – цементит, выпадающий из охлаждаемого феррита при температурах ниже 727 °С. По химическому составу все три вида цементита одинаковы и описываются формулой Fе_зС. Поэтому указанное деление цементита на три вида – условно. Оно необходимо для удобства описания структур и превращений, протекающих в железоуглеродистых сплавах.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Перлит прочен и упруг, образуется в результате распада аустенита, содержащего 0,8 % углерода. Этот распад происходит при 727 °С. В зависимости от формы цементитных включений перлит бывает двух видов: пластинчатый и зернистый. В пластинчатом перлите цементит имеет форму пластинок, в зернистом – зерен (глобул) (НВ 250 кгс/мм², d = 20 %).

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита при температуре более 727 °С или перлита и цементита – при меньшей температуре. В ледебурите 4,3 % углерода, он очень тверд и хрупок (НВ 620 кгс/мм², d > 50 %).

Графит – свободный углерод. Механические свойства графита очень низки. Включения графита наблюдаются в чугунах.

В процессе перехода из жидкого в твердое состояние и дальнейшего охлаждения железоуглеродистые сплавы претерпевают два вида превращений: первичную и вторичную кристаллизации. Первичная кристаллизация – переход из жидкого в твердое состояние, вторичная – перекристаллизация уже затвердевшего сплава. Поэтому на диаграмме различают два вида линий: первичной и вторичной кристаллизации.

Линии первичной кристаллизации. АВСD – линия ликвидуса и АНJЕСF – линия солидуса. Выше ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии (Ж), ниже солидуса – в твердом, а в интервале ликвидус–солидус – в двухфазном состоянии. В сплавах, по достижении отдельных элементов ликвидуса и солидуса, наблюдаются следующие превращения:

АВ – из жидкости начинает выделяться дельта-феррит (Ф_d), представляющий твёрдый раствор углерода в дельта-железе. Ниже этой линии сплавы состоят из жидкости и дельта-феррита.

ВС – из жидкости начинает выделяться аустенит (А). Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкости и аустенита.

СD – из жидкости начинает выделяться первичный цементит (Ц₁). Ниже этой линии сплавы состоят из жидкости и первичного цементита.

АН – последняя капля жидкости превращается в феррит Ф_d. Ниже линии АН сплавы состоят из одного дельта-феррита.

НВ – линия перитектического превращения; на линии НJ оставшийся жидкий сплав, взаимодействуя с частью ранее выпавшего Ф_d, превращается в аустенит А; ниже этой линии сплавы состоят из дельта-феррита Ф_d и аустенита. На линии JВ ранее выпавший дельта-феррит, взаимодействуя с частью жидкого сплава, превращается в аустенит. Ниже линии JВ сплавы состоят из жидкости и аустенита.

JЕ – последняя капля жидкости превращается в аустенит. Ниже этой линии сплавы состоят из одного аустенита.

ЕF – линия ледебуритного (эвтектического) превращения: жидкий сплав, содержащий 4,3 % С, превращается в ледебурит (Л). На линии ЕС оставшийся жидкий сплав, обогащенный углеродом до 4,3 %, превращается в ледебурит. При этом аустенит, выпавший в интервале ликвидус–солидус, и аустенит ледебурита содержат 2,14 % С. При снижении температуры ниже 1147 °С растворимость углерода в аустените падает, в результате чего из последнего выделяется вторичный цементит (Ц). Индекс «2» у вторичного цементита можно не ставить. Следовательно, ниже линии ЕС сплавы состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. На линии СF оставшийся жидкий сплав, обедненный углеродом до 4,3 %, превращается в ледебурит, аустенит которого содержит 2,14 % С. Итак, ниже линии СF сплавы состоят из ледебурита и первичного цементита. В составе ледебурита находится вторичный цементит, выпавший из аустенита ледебурита, вследствие падения растворимости углерода в аустените при понижении температуры ниже 1130 °С.

Линии вторичной кристаллизации описывают превращения, протекающие в затвердевших сплавах, вследствие аллотропических превращений железа.

НN – из раствора Ф_d начинают выделяться первые кристаллы аустенита. Ниже этой линии сплавы состоят из дельта-феррита и аустенита.

NJ – последний кристалл раствора Ф_d превращается в аустенит. Ниже линии NJ сплавы состоят из одного аустенита.

GS – из аустенита начинает выделяться феррит (Ф). Ниже этой линии сплавы состоят из аустенита и феррита. С понижением температуры количество аустенита в сплаве будет уменьшаться, а феррита увеличиваться.

SЕ – из аустенита начинает выделяться вторичный цементит. Ниже линии SЕ сплавы состоят из аустенита и вторичного цементита. С дальнейшим понижением температуры количество цементита увеличивается, а аустенита остается меньше. Эта линия характеризует растворимость углерода в аустените при различных температурах. Например, при температуре 1147 °С (точка Е) имеет место максимальная растворимость углерода в аустените – 2,14 %. С понижением температуры растворимость падает и при 727 °С (точка S) составляет 0,8 %.

РG – последний кристалл аустенита превращается в феррит. Ниже линии РG сплавы состоят из одного феррита.

РS – оставшийся аустенит, обогащенный углеродом до 0,8 %, превращается в перлит (П). Указанное обогащение произошло вследствие выпадения из аустенита феррита при охлаждении от линии GS до линии РS. Так как растворимость углерода в феррите незначительна (< 0,025 %), то при выпадении последнего остающийся аустенит обогащается углеродом. Ниже линии РS сплавы состоят из перлита и феррита.

SR – остающийся аустенит, обедненный углеродом до 0,8 %, превращается в перлит. Обеднение связано с предшествующим выпадением (в интервале линий SЕ–SR) из аустенита цементита, богатого углеродом (6,67 %). Ниже SR сплавы состоят из перлита и цементита.

RМ – оставшийся аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. Ниже этой линии сплавы состоят из ледебурита, перлита и цементита.

МК – аустенит ледебурита, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. Ниже лини МК сплавы состоят из ледебурита и первичного цементита.

Обеднение аустенита углеродом до 0,8 %, при подходе к линиям RМ и МК происходит вследствие того, что в интервале линий ЕF–PК из него выпадает цементит.

Таким образом, достигая линии РК, аустенит любого сплава содержит 0,8 % С и превращается в перлит. Поэтому линию РК называют линией перлитного превращения.

Линия РQ – из феррита начинает выделяться третичный цементит. Ниже этой линии сплавы состоят из феррита и третичного цементита. Линия РQ характеризует растворимость углерода в феррите в зависимости от температуры. Например при 727 °С (точка Р) в феррите растворяется 0,025 % С. Это максимальная растворимость углерода в феррите. При падении температуры растворимость уменьшается и в точке Q составляет 0,005 %.

Особые точки диаграммы – это точки Е, С и S. Сплавы, соответствующие этим точкам, являются граничными при классификации железоуглеродистых сплавов.

Точка Е соответствует сплаву, содержащему 2,14 % С. Правее точки Е в структуре сплавов появляется составляющая ледебурита, которая делает их хрупкими, неподдающимися ковке. Левее точки Е в сплавах ледебурита нет. Такие сплавы пластичны, поддаются ковке. Таким образом, в точке Е железоуглеродистые сплавы резко меняют свои механические свойства, в связи с чем делятся на два вида: стали и чугуны. Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие не более 2,14 % углерода. На диаграмме они лежат левее точки Е. Чугуны – жезоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. На диаграмме им соответствует участок правее точки Е. Стали – пластичны, чугуны хрупки. Участок диаграммы, относящийся к сталям, называют иногда стальным, а к чугунам – чугунным.

Точка С соответствует чугуну, имеющему минимальную температуру плавления (затвердевания). Чугун, соответствующий точке С (содержит 4,3 % С), называется эвтектическим; чугуны, лежащие на диаграмме левее точки С, – доэвтектическими, правее – заэвтектическими.

Точка S соответствует стали, имеющей минимальную температуру полного аустенитного превращения. Сталь, соответствующая точке S (содержит 0,8 % C), называется эвтектоидной. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, называются доэвтектоидными, а более 0,8 % – заэвтектоидными.

Таким образом, различают три вида сталей: доэвтектоидные, эвтектоидная и заэвтектоидные, и три вида чугунов: доэвтектические, эвтектический и заэвтектические.

Определение весового количества фаз.Весовое соотношение сосуществующих фаз в процессе кристаллизации непрерывно меняется. Оно может быть определено с помощью правила отрезков. Например, для сплавов I и II (см. рисунок 1) при температурах t₁ и t₂ имеют место соотношения:

; ,

где Q_T, Q_Ж – веса твердой и жидкой фаз в сплаве при данной температуре.

Аналогично можно установить весовое соотношение сосуществующих фаз для других температур и сплавов.

Определение состава фаз.С изменением температуры состав сосуществующих фаз изменяется. Диаграмма железо–углерод позволяет определить концентрацию фаз в любой момент кристаллизации сплава. Для этого достаточно через данную температурную точку сплава провести горизонталь так, чтобы она пересекла линии, ограничивающие рассматриваемую фазовую область. Точки пересечения и определят концентрацию фаз при данной температуре. Рассмотрим пример применения данного правила.

Сплав II, содержащий 5,7 % С. В интервале температур, соответствующих точкам на линиях ликвидус и солидус, сплав состоит из жидкости и цементита первичного. Между этими точками количество твердой фазы (цементита) в сплаве увеличивается, а жидкой – уменьшается. При этом состав фаз непрерывно меняется. Например, при температуре t₂ концентрация выпадающего аустенита определяется точкой в, а оставшегося жидкого сплава – точкой г. При охлаждении от точки t₂ до линии солидус концентрация остающейся жидкости меняется по ликвидусу, а выпадающего цементита будет постоянной. Количественное соотношение фаз в любой момент кристаллизации таково, что среднее содержание углерода в сплаве остается постоянным, равным концентрации сплава II.