Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом (рис. 6.2) позволяет более подробно ознакомиться со структурой железо­углеродистых сплавов и превращениями, которые происходят с ними в зависимости от состава и температуры.

Основы диаграммы состояния сплавов железа с углеродом заложил Я К Чернов, который в 1868 г. опубликовал ряд работ, где впервые указал на структурные превращения, протекающие в желе­зоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении.

Диаграмма охватывает не все сплавы железа с углеродом, а ограничивается лишь сплавами, содержащими до 6 67 % углерода.Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 5 % углерода, не представляв практического интереса. Цифра же 6,67 % взята в качестве предела на том основании, что при таком содержании углерода образуется химическое соединение Fe3C (цементит). Как известно, химическое соединение может рассматриваться в сплавах как самостоятельный компонент и служит естественным пределом диаграммы. Следовательно, рассматриваемая нами диаграмма по существу состоит из двух компонентов — железа и цементита.

В рассматриваемой диаграмме допущены два упрощения: не ука­зана область существования а -железа, в связи с чем упрощен левый верхний угол диаграммы, и не указана различная растворимость углерода в а -железе — упрощен левый нижний угол диаграммы.

Кривая ACD — линия ликвидуса. Она изображает темпера­туры, при которых начинается затвердевание железоуглеродистых сплавов. Кривая AECF — линия солидуса. Она показывает тем­пературы, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Линия АЕ относится к стали, а линия ECF — к чугунам. Точка А показывает температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точка Е характеризует макси­мальное количество углерода, которое может быть растворено в же­лезе в твердом состоянии. Точка С показывает состав эвтектики; она соответствует содержанию углерода (4,3 %) в сплаве. Темпера­тура образования эвтектики 1130 °С. Линия ECF называется эв­тектической, так как в любой точке этой линии происходит обра­зование эвтектики.

По виду структур, образующихся при первичной кристаллиза­ции, все железоуглеродистые сплавы, представленные на диаграмме, можно разбить на три группы.

К первой группе относятся сплавы, содержащие не более 2 % углерода, т. е. стали. В процессе их кристаллизации из жидкого сплава будут образовываться кристаллы твердого раствора угле­рода в у-железе, т. е. аустенит. Таким образом, все сплавы этой группы по окончании процесса затвердевания будут состоять из кристаллов аустенита.

К сплавам второй группы относятся белые чугуны, содержащие от 2 до 4,3 % углерода. Эти сплавы могут образовыватьэвтектику, и у таких сплавов в начале кристаллизации выделяется тот ком­понент, который находится в избытке к эвтектическому составу. У рассматриваемых чугунов в избытке к эвтектике будет железо. Следовательно, так же как и у стали, из жидкого сплава будут выделяться кристаллы аустенита. Разница состоит в том, что при температуре 1130°С (в конце процесса кристаллизации чугуна) будет образовываться эвтектика — ледебурит. Таким образом, по окончании процесса кристаллизации структура сплавов второй группы будет состоять из аустенита и ледебурита.

Несколько иной характер носит процесс кристаллизации спла­вов третьей группы. Так как все сплавы этой группы содержат более 4,3 % углерода, то в избытке к эвтектическому составу будет углерод. Следовательно, процесс затвердевания сплавов третьей группы начнется с выделения в виде кристаллов цементита избы­точного углерода. Когда в жидком сплаве останется 4,3 % углерода, затвердевание закончится образованием эвтектики -леде­бурита. Все сплавы третьей группы по окончании процесса кристал­лизации будут иметь структуру цементита и ледебурита.

Если сплав содержит 4,3 % углерода, т. е. имеет эвтектический состав, то кристаллизация будет протекать при постоянной тем­пературе. Структура такого сплава после затвердевания будет состоять из ледебурита, т. е. из механической смеси цементита и

Аустенита.

Таким образом, в результате первичной кристаллизации сталь получит структуру аустенита, которая отличается хорошей пластич­ностью и вязкостью; поэтому сталь сравнительно хорошо подвер­гается обработке давлением при высоких температурах.

Все белые чугуны имеют в своей структуре в том или ином количестве хрупкий и твердый ледебурит. Это исключает возмож­ность их обработки давлением.

Такое коренное изменение технологических свойств сплавов в зависимости от содержания углерода является причиной того, что именно 2 % углерода являются границей, которая делит желе­зоуглеродистые сплавы на две группы — сталь и чугун.

Первичная структура стали состоит из зерен аустенита. Она сохраняется до линии GSE. Указанная линия соответствует темпе­ратурам, при которых начинается вторичная кристаллизация ста­лей различного состава.

Линия PSK показывает температуру, при которой завершаются процессы вторичной кристаллизации сталей. Для сталей представ­ленных на диаграмме, эта температура равна 727 °С. При темпера­турах, ниже указанной, существенных превращений в строении стали не испытывают. Линия PSK. называется эвтектоидной ли­нией. Следовательно, структура, полученная при температуре 727 °С, сохраняется при дальнейшем охлаждении (вплоть до ком­натной температуры). Точка 5 диаграммы соответствует составу эвтектоида — перлита.

В чем сущность структурных превращений, протекающих в стали в твердом состоянии?

Изучение этих превращений начнем с линии GS. Точка G пока­зывает превращения в чистом железе. Она соответствует темпера­туре 910 °С. Из предыдущего нам известно, что при этой темпера­туре происходит превращение у-железа в а-железо.

У сталей этот процесс также происходит, но имея в решетке 7-железа то или иное количество углерода, он протекает при более низких температурах, чем у чистого железа. Кроме того, превраще­ние у-железа в а-железо у сталей происходит не при постоянной температуре, а в интервале температур.