Диаграмма железо-цементит

Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода не превышает 2,14%. Кристаллизацию сталей и формирование структуры будем рассматривать по упрощенной диаграмме железо-цементит (рис 3). Сложный вид диаграммы объясняется наличием полиморфных превращений и в целом её можно рассматривать как несколько диаграмм, встроенных одна в другую.

Рис.3. Упрощенная диаграмма Fe – Fe3C

Основные превращения:

1. Эвтектическое превращение, происходит при 1130 градусов по Цельсию.

ЖС→ АЕ +Ц

Что означает: жидкость состава точки С (4,3% углерода) кристаллизуется с одновременным образованием кристаллов аустенита состава точки Е (2,14% углерода) и кристаллов цементита (6,67% углерода). В результате эвтектического превращения образуется упорядоченная смесь А+Ц, которая называется ледебурит.

1. Эвтектоидное превращение, происходит при 723 градусах по Цельсию.

АS→ ФР +Ц

Что означает: кристаллы аустенита, состава точки S (0,8% углерода) распадаются с одновременным образованием кристаллов феррита, состава точки Р (0,025% углерода) и кристаллов цементита (6,67% углерода). В результате образуется упорядоченная эвтектоидная смесь кристаллов Ф и Ц, которую называют перлит.

Основные линии диаграммы Fe-FeC:

ECF - линия эвтектического превращения

PSK - линия эвтектоидного превращения

GSK - линия полиморфных превращений в железо-углеродистых сплавах

AC и AE – соответственно линии начала и окончания кристаллизации аустенита

CD - линия начала кристаллизации цементита первичного (обозначается Ц1)

GS и GP – соответственно линии начала и окончания кристаллизации феррита

Особое внимание следует уделить линиям SE и PQ, т.к. они определяют температуры выделения вторичных фаз.

SE - линия ограничения растворимости углерода в аустените или линия выделения цементита вторичного (обозначают ЦII)

PQ – линия ограничения растворимости углерода в феррите или линия выделения цементита третичного (обозначают ЦIII)

Образование структуры сталей

Формирование структуры сплавов железо-углерод будем рассматривать при охлаждении до комнатной температуры (чему соответствует низ диаграммы состояния). Первым и общим фазовым превращением, для сплавов (1-5 рис.3) с концентрацией углерода не выше 2,14%, является кристаллизация аустенита. Затем, ниже линии АЕ, происходит охлаждение твердых кристаллических сплавов со структурой аустенита. Поэтому, при дальнейшем рассмотрении, исходной структурой для сплавов 1-5 будет структура аустенита.

Сплав 1. Аустенитная структура сплава 1 при охлаждении достигает пересечения с линией GS, что означает начало полиморфного превращения (в сплавах Fe+C, с содержанием углерода до 0,8, полиморфное превращение происходит в интервале температур между линиями GS и GP). Полиморфное превращение начинается на участках наибольших искажений кристаллической решетки, а именно в области тройных стыков зерен, границ зерен, наибольшего скопления дислокаций. Постепенно превращение распространяется на весь объем зерна, заменяя аустенитные зерна на ферритные. Образованная ферритная структура охлаждается без изменений до комнатной температуры (структура изображены на рис.5а). Число зародышей ферритных зёрен, как правило, больше числа исходных аустенитных зерен, поэтому такое превращение измельчает зерно. При изменении типа решетки происходят объемные изменения, которые могут привести к пластической деформации и рекристаллизации. Изменение величины зерна и изменения объёма сопутствуют образованию структуры сплавов рассмотренных далее.

Сплав 2. Структура сплава 2 образуется аналогично сплаву 1, до точки пересечения с линией PQ. При охлаждении до температур ниже линии PQ твёрдый раствор (феррит) становится пересыщенным, и, ферритные зерна выделяют излишки углерода, которые уходят на границы зерен. Как только концентрация углерода на некоторых участках границ зерен достигает необходимой величины – образуется химическое соединение, возникают участки цементита третичного (ЦIII) (рис.5б). Степень пересыщения феррита незначительна, поэтому количество и объём областей цементита третичного невелик.

Сплав 3. Эвтектоидный сплав. При достижении температуры эвтектоидного превращения (7230С) происходит превращение по схеме:

АS→ФP+Ц

В основе эвтектоидного превращения лежит полиморфное превращение железа и, сопутствующее ему, диффузионное перераспределение углерода, между вновь образованными фазами. Образование перлита происходит в виде упорядоченного чередования пластин феррита и цементита. Перлитные колонии образуются одновременно в нескольких местах аустенитного зерна. Дальнейший рост перлитных колоний возможен как в продольном, так и в поперечном направлениях. Исходная структура, состоящая из аустенитных зерен, переходит в структуру, состоящую из перлитных зерен меньшего размера.(рис.5г).

Сплав 4. При достижении температур линии GS в железе начинается полиморфное превращение и в объёме аустенитных зёрен появляются зародыши феррита. По мере охлаждения количество и размер ферритных зерен возрастает. Ферритные области содержат значительно меньше углерода, чем исходные аустенитные, что приводит к возрастанию концентрации углерода в аустенитных зёрнах. В итоге концентрация углерода в аустените достигнет величины соответствующей точке S (0,8%), в аустените произойдет эвтектоидное превращение – образуются перлитные зёрна. При комнатной температуре возникнет структура состоящая из совокупности зёрен феррита и перлита. (рис.5в).

Сплав 5. При достижении температур линии SE аустенит становится пересыщенным раствором, в результате из состава аустенита выделяются излишки углерода, которые уходят на границы зёрен. Степень пересыщения твёрдого раствора больше по сравнению со сплавом 2. Излишки углерода образуют на границах зёрен выделения цементита вторичного (ЦII) в виде сплошной сетки по границам. Выделение цементита вторичного уменьшает концентрацию углерода в аустените, приводя её к составу точки S. Аустенит, достигнув эвтектоидного состава, превращается в перлит. При комнатной температуре возникает структура перлит и цементит вторичный (рис. 5д).

Таким образом при комнатной температуре сплавы железа с углеродом, в которых углерода не более 0,025%(сплавы 1 и 2) имеют ферритную (Ф) структуру или структуру феррит плюс цементит третичный (Ф+ЦIII) и называются техническим железом или армко-железом.

Сплавы с содержанием углерода от 0,025% до 0,8% имеют структуру феррит плюс перлит (Ф+П) и называются доэвтектоидными сталями.

Сплавы с содержанием углерода близким к 0,8% имеют структуру перлита (П) и называют эвтектоидными сталями.

Сплавы с содержанием углерода от 0,8% до 2,14% имеют структуру перлит плюс цементит вторичный (П+ЦII) и называют заэвтектоидными сталями.

По мере увеличения количества углерода в сталях, возрастает количество цементита в структуре, что приводит к возрастанию твёрдости, уменьшению пластичности и коэффициэнта динамической вязкости. Прочность изменяется не монотонно: сначала возрастает, достигает максимума, при содержании углерода ≈ 0,9%, а затем падает. Такая зависимость прочности от содержания углерода объясняется завершением формирования сетки вторичного цементита вокруг перлитных зёрен. Сетка вторичного цементита представляет собой прочный, но абсолютно не пластичный каркас, который воспринимает внешние нагрузки и по нему происходит разрушение. Изменение механических свойств от количества углерода представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Изменение механических свойств сталей от содержания углерода.

Рис.5. Структура технического железа и сталей

Дата добавления: 2014-11-18