Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
|
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов - сталей и чугунов. Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Железо - пластичный металл серебристобелого цвета. Твердость и прочность железа невысоки при значительной пластичности. Температура плавления - 1539°С, плотность - 7,83 г/см3. Железо имеет полиморфные модификации. Углерод встречается в природе в виде двух модификации - алмаза и графита. Графит имеет сложную гексагональную кристаллическую решетку. Он является мягким непрочным материалом, но с увеличением температуры прочность графита значительно возрастает. Температура плавления графита 3500°С. С углеродом железо образует химическое соединение цементит и твердые растворы внедрения. Цементит - это карбид железа Fe3C. В нем содержится 6,67% углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (HB 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью. Ферритом называется твердый раствор углерода в α-железе. При комнатной температуре в феррите содержится не более 0,006% углерода. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в 5-железе, существующий при температуре 1392-1539 °С, также называют ферритом или высокотемпературным ферритом (δ-ферритом). Он характеризуется максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499°С. Аустенит - это твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С). Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкими прочностью и твердостью (HB 220). Перлит - это эвтектоидная смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Перлит имеет пластинчатое строение; он состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Возможно и зернистое строение перлита, когда он состоит из зерен цементита, окруженных ферритом. Зернистый перлит значительно пластичнее пластинчатого, имеет меньшую твердость. Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит и ниже этой температуры представляет собой эвтектоидную смесь перлита с цементитом. Ледебурит обладает высокой твердостью (HB 600-700) и хрупкостью. Диаграмма железо-цементит. Практическое значение имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67% (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диаграмму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т.е. фактически рассматривается диаграмма железо-цементит (Fe-Fe3C). На рис.9.7 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси диаграммы указано содержание углерода - от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней указаны значения температур плавления железа и его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось соответствует 100% содержанию цементита. Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. При температуре ликвидуса начинается кристаллизация: на участке AB - феррита, BC - аустенита и CD - первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидуса - конца затвердевания расплава.  Главная роль на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов отводится ее левой части - сталям (до 2,14%). В результате кристаллизации расплавов, соответствующих составам сталей, образуется аустенит; при понижении температуры аустенит претерпевает превращения, связанные с изменением кристаллической решетки (- переход γ-железа в α-железо), и с уменьшением растворимости углерода с понижением температуры. В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре 727°С аустенит полностью распадается, образуется перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной. Ее структура состоит из перлита (рис. 9.8). Сталь, содержащую менее 0,8% углерода, называют доэвтектоидной, а сталь с содержанием более 0,8% углерода - заэвтектоидной. В доэвтектоидной стали при полном охлаждении получается структура, состоящая из равномерно распределенных зерен перлита и феррита. В заэвтектоидной стали при медленном охлаждении образуется структура, состоящая из перлита и вторичного цементита. При этом вторичный цементит расположен в виде тонкой сетки по границам бывших аустенитных зерен.  Сплав, содержащий до 0,02% углерода, не имеет перлита в структуре после завершения всех превращений. Такой сплав часто называют техническим железом. Структура технического железа представляет собой зерна феррита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Линия GSE диаграммы называется линией верхних критических точек или линией начала превращения аустенита. Линия PSK диаграммы (температура 727°С) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения. Рассмотрим превращения в чугунах. Точка С (4,3% углерода) представляет собой эвтектическую точку. Она соответствует температуре 1147 °С, при которой кристаллизуется сплав и выделяются кристаллы аустенпта и первичного цементита, образуя эвтектическую смесь - ледебурит. Чугун, содержащий 4,3% углерода, называется эвтектическим. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называют доэвтектическими. В доэвтектическом чугуне образуется структура, состоящая из ледебурита, перлита и вторичного цементита. Чугуны, содержащие более 4,3% углерода, называют заэвтектическими. Структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита, перлита и первичного цементита. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные режимы кристаллизации сталей и чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки), режимы термообработки и др. |
