Характерные линии диаграммы

ABCD — линия ликвидус, AHJECFD — линия солидус. Между этими линиями происходит кристаллизация сплавов.

Первичная кристаллизация сплавов, содержащих до 0,1% углерода, начинается с выделения из жидкости ?-феррита, который затем в результате полиморфного превращения железа-?(?) в железо-? превращается в аустенит.

При первичной кристаллизации сплавов, содержащих 0,1…0,5% углерода, происходит перитектическое превра;

Таблица 4.1

Характерные точки диаграммы состояния «Fe — Fe3C» .

Рис. 4.4. Диаграмма состояния «железо — цементит» .

щение. Выделяющийся из жидкости ?-феррит при температуре 1499 °C вступает в реакцию с жидкостью, в результате перитектическогопревращения (см. 3.4.4) образуется аустенит:

При содержании в сплаве углерода в количестве менее 0,16% после перитектического превращения сохраняется избыточный ?-феррит, который затем в результате полиморфного превращения (Fe? > Fe.) превращается в аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 0,16% после перитектического превращения сохраняется избыточная жидкость, которая при дальнейшем охлаждении кристаллизуется в аустенит.

Поскольку перитектическая реакция у сплавов, содержащих до 0,5% углерода, приводит к образованию аустенита, а первичная кристаллизация всех остальных сплавов, содержащих 0,5…2,14% С, также осуществляется превращением жидкости в аустенит, то при дальнейшем изучении превращений в сплавах «железо — цементит» при охлаждении перитектическое превращение подробно рассматриваться не будет.

Линии CD, SE и QP диаграммы имеют одинаковый смысл. Они указывают на повышение растворимости углерода в растворах при нагреве и на уменьшение его растворимости при охлаждении (соответственно в жидком растворе, аустените и феррите). В результате при охлаждении сплавов вследствие уменьшения растворимости углерода в растворах из них выделяется избыточный углерод в виде высокоуглеродистой фазы — цементита, который получил соответствующее название и обозначение.

Цементит первичный (ЦI) — выделяется при первичной кристаллизации из жидкости в сплавах, содержащих 4.3…6.67% углерода (область CDF). При дальнейшем охлаждении он не претерпевает никаких превращений. Его зерна (кристаллиты) — наиболее крупные.

Цементит вторичный (ЦII) — выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита в интервале температур 1147. .727 °С и сохраняется при дальнейшем охлаждении. Имеет более мелкие зерна.

Цементит третичный (?III) — выделяется из феррита при охлаждении ниже 727 °C у всех сплавов, содержащих более 0,006% углерода. Ц|III в виде очень мелких зерен присутствует в структуре в качестве самостоятельной фазы или в составе перлита и ледебурита перлитового.

ECF и PSK — линии эвтектического и эвтектоидного превращений (напомним эти превращения: Ж4,3>ЛА (А2,14 + + Ц6,67] - эвтектическое и Ao, 8 > П |Ф0,02 +Ц6,67] - эвтектоидное). Эвтектическое пре? вращение претерпевают все сплавы, лежащие правее точки Е (2,14% С), эвтектоидное — все сплавы, лежащие правее точки Р (0,02% С).

Рассмотрим превращения, протекающие в характерных сплавах системы «железо — цементит» при охлаждении (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Превращения в железоуглеродистых сплавах.

Сплав I (менее 0,006% углерода). До температуры 1 сплав представляет собой жидкий раствор. В интервале температур 1 (ликвидус) — 2 (солидус) протекает первичная кристаллизация жидкости в феррит-?, который затем охлаждается в интервале 2−3. При температурах 3−4 в результате полиморфного превращения железа-?(?) в железо-? происходит превращение феррита-5 в аустенит, а при температурах 4−5 — охлаждение аустенита. В интервале температур 5−6 аустенит превращается в феррит вследствие полиморфного превращения железа-? в железо-?. При дальнейшем охлаждении с ферритом никаких превращений не происходит. В результате получается сплав с однофазной структурой феррита (однородный твердый раствор Ф).

Сплав II (0,006…0,02% углерода). При охлаждении в интервале температур 1−6 происходят такие же превращения, что и в сплаве I. Затем происходит охлаждение феррита (6−7), из которого при температуре 7 вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите начинает выделяться цементит третичный (по линии PQ). Его количество увеличивается при дальнейшем охлаждении, а сам феррит обедняется углеродом до 0,006%. Окончательная структура — двухфазная, представляющая смесь феррита и цементита третичного, выделяющегося по границам зерен твердого раствора (Ф + ЦIII).

Сплав III (доэвтектоидный: 0,02…0,8% углерода). Жидкость в процессе первичной кристаллизации в интервале ликвидус (1) — солидус (2) превращается в аустенит, который затем охлаждается (2−3) и при температуре 3 вследствие полиморфного превращения железа-? в железо-? начинает превращаться в феррит. Это превращение продолжается при охлаждении в интервале температур 3−4, но до конца не происходит. В процессе превращения количество феррита увеличивается и достигает при температуре 4 относительного количества, соответствующего (для данного сплава) отрезку 4S. Количество аустенита уменьшается, но к концу превращения сохраняется в количестве, соответствующем отрезку Р4. Одновременно выделение феррита, содержащего очень мало углерода, вызывает обогащение углеродом остающегося аустенита. Концентрация углерода в аустените изменяется по линии GS и достигает 0,8%. В результате при температуре 4 (727 °С) оставшийся аустенит имеет эвтектоидный состав и превращается в перлит. Окончательная структура сплава — феррит и перлит (Ф + П) (рис. 4.6, а и 4.6, д).

Рис. 4.6. Микроструктура сталей (сплавов, содержащих 0,02−2,14% углерода):

доэвтектоидная сталь 0,4% С: а — ? 500, д —? 1500; эвтектоидная стать 0,8% С: 6 —? 500, е —? 1500; заэвтектоидная сталь 1,2% С: структуры пластичные: в —? 500; ж —? 1500; зернистые: г —? 500; з —? 1500.

Сплав IV (эвтектоидный: 0,8% углерода). Химический состав этого сплава соответствует содержанию углерода в эвтектоиде — перлите. Поэтому после всех превращений, протекающих в интервале температур 1−3 и аналогичных превращениям в сплаве III, весь аустенит при температуре 3 (727 °С) превращается в перлит (ферритно-цементитную эвтектоидную смесь), который и сохраняется при дальнейшем охлаждении. Его структура приведена на рис. 4.6, б и 4.6, е.

Сплав V (заэвтсктоидный: 0,8…2,14% углерода). Первичная кристаллизация протекает в интервале температур 1−2 (аналогично сплавам III и IV) и приводит к образованию аустенита, который охлаждается до температуры 3, не претерпевая изменений. При дальнейшем охлаждении в интервале температур 3−4 из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените выделяется вторичный цементит по линии ES. Аустенит обедняется углеродом, концентрация которого при температуре 4 достигает 0,8%. Аустенит с эвтектоидной концентрацией углерода (0,8%) превращается в перлит при температуре 4 (727 °С). При дальнейшем охлаждении сохраняется структура, состоящая из перлита и цементита вторичного (П + Ци), показанная на рис. 4.6 (в, г, ж, з).

Сплав VI (доэвтектический: 2,14…4,3% углерода). Первичная кристаллизация начинается на ликвидусе (1) с выделения из жидкости аустенита. При охлаждении в интервале температур 1−2 его количество увеличивается и соответствует при температуре 2 отрезку 2С, а концентрация углерода в нем, изменяясь по линии солидус JE, достигает предельной растворимости, равной 2,14% (проекция точки Е). Одновременно к концу кристаллизации сохраняется некоторое количество жидкости (отрезок Е2), концентрация углерода в которой, изменяясь по линии ликвидус ВС, соответствует эвтектическому составу (4,3% углерода). В результате первичная кристаллизация завершается при температуре 2 (1147 °С) эвтектическим превращением; оставшаяся жидкость затвердевает в ледебурит аустенитовый (аустенитно-цементитная смесь). После кристаллизации сплав имеет структуру: аустенит и ледебурит аустенитовый (А + ЛА). При охлаждении в интервале 2−3 вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените по линии ES из аустенита выделяется цементит вторичный; аустенит при этом обедняется углеродом до 0,8%. При температуре 3 (727°С) аустенит, получивший эвтектоидный химический состав, превращается в перлит. Поскольку это превращение претерпевает и аустенит, входящий в состав ледебурита, то ледебурит аустенитовый становится ледебуритом перлитовым (перлитно-цементитная смесь). Окончательная структура сплава после охлаждения — перлит, ледебурит перлитовый и цементит вторичный (П + ЛП + ЦII). Эта микроструктура приведена на рис. 4.7, а.

Сплав VII (эвтектический: 4,3% углерода). Поскольку сплав по своему химическому составу является эвтекти;

Рис. 4.7. Микроструктура чугунов (сплавов, содержащих 2,14…6,67% углерода):

а — доэвтектический; б — эвтектический; в — заэвтектический ческим, то вся жидкость при температуре 1 (1147 °С) кристаллизуется с образованием ледебурита аустснитового (ЛА), который при дальнейшем охлаждении при температуре 2 (727 °С) превращается в ледебурит перлитовый (ЛП) (рис. 4.7, б).

Сплав VIII (заэвтектический: более 4,3% углерода). Первичная кристаллизация при температуре 1 начинается с выделения из жидкости зерен цементита первичного (в соответствии с линией DC), который является избыточным компонентом. При охлаждении в интервале 1−2 количество цементита увеличивается, его зерна растут, а количество жидкости уменьшается. При этом она обедняется углеродом; концентрация углерода в жидкости, изменяясь по линии ликвидус DC, достигает к концу кристаллизации 4,3%. Это соответствует эвтектическому составу. Первичная кристаллизация заканчивается при температуре 2 (1147 °С) эвтектическим превращением. Оставшаяся к концу кристаллизации жидкость (отрезок 2F) превращается в ледебурит аустенитовый, который при дальнейшем охлаждении при температуре 3 (727 °С) превращается в ледебурит перлитовый аналогично тому, как это было в сплавах VI и VII. Структура, сформировавшаяся в результате рассмотренных превращений, представляет собой смесь ледебурита перлитового и цементита первичного (ЛП + ЦI) (рис. 4.7, в).

Следует отметить, что фазы более низкого уровня (ЦП, ЦП) указываются на структурной диаграмме только в тех случаях, когда в структуре отсутствует фаза более высокого порядка. Например, в сплавах с содержанием углерода более 4,3% между линиями ECF и PSK (см. рис. 4.5) из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется цементит вторичный, однако на диаграмме его не указывают, так как в структуре присутствует первичный цементит. Это связано с тем, что выделяющиеся кристаллы избыточной фазы осаждаются на уже готовых центрах кристаллизации — кристаллах фазы более высокого уровня (например, ЦII на ЦI) и структурно не выявляются.

На основе анализа превращений, протекающих в рассмотренных сплавах системы «железо — цементит», и получившихся в результате этих превращений структур можно выделить три группы сплавов в зависимости от концентрации углерода. При их определении принято учитывать технологические возможности получения из них заготовок (деталей).

Техническое железо — сплавы, содержащие до 0,02% углерода. Их структура — феррит (до 0,006% углерода) или феррит и цементит третичный (0,006…0,02% углерода). Техническое железо обладает высокой пластичностью и хорошими магнитными свойствами. Цементит третичный, выделяющийся по границам зерен феррита, снижает пластичность. Техническое железо часто называют ферритным железом, его структурная особенность — в структуре отсутствует перлит.

Стали — деформируемые сплавы железа с углеродом (0,02…2,14% углерода). В результате первичной кристаллизации или при нагреве выше линии GSE (например, слитков или заготовок) они приобретают однофазную структуру аустенита, обладающего высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при повышенных температурах, а низкоуглеродистые и среднеуглеродистые и при температурах цеха, т. е. без нагрева. Заготовки (детали) из сталей получают различными операциями пластического деформирования (ковка, прокатка, штамповка, волочение и т. п.).

По содержанию углерода (структурный признак) различают стали:

• — доэвтектоидные с углеродом до 0,8% и структурой феррита и перлита (Ф + П);
• — эвтектоидные с углеродом 0,8% и структурой перлита (ii);
• — заэвтектоидные с углеродом более 0,8% и структурой перлита и цементита вторичного (П + ЦII).

Структурная особенность — наличие в структуре перлита и отсутствие ледебурита.

Чугуны — литейные сплавы железа с углеродом (2,14… …6,67% углерода). Они содержат в структуре после первичной кристаллизации хрупкий ледебурит с избыточным аустенитом или цементитом первичным. Наличие большого количества твердого, непластичного цементита определяет весьма низкую пластичность чугунов, их невозможно пластически деформировать. Вместе с тем чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, чем стали, поскольку имеют более низкую температуру кристаллизации, меньшие ликвацию и усадку и хорошую жидкотекучесть (см. 11.2.1 и 11.2.2). Заготовки (детали) из чугуна получают литьем.

Структурная особенность — наличие в структуре ледебурита.