Диаграмма железоуглеродистых сплавов. Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых

Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации.

Технически чистое железо содержит 99,8 – 99,9 % Fe, температура его плавления – 1539°С, прочность – 245 МН/м² (25 кгс/мм²), пластичность высокая: d = 50 %, Y = 80 %. Критические точки железа представлены на рис. 13. Железо с углеродом образует цементит – химическое соединение карбид железа Fe₃C, содержит 6,67 % углерода, имеет высокую твердость (НВ800), но низкую, практически нулевую, пластичность.

Диаграмма состояния сплавов «железо – цементит» (в упрощенном виде) представлена на рис. 22. На левой ординате точка А (1539°С) соответствует температуре плавления (кристаллизации) чистого железа, а точка D на правой ординате – температуре плавления (кристаллизации) цементита. Линия АСD – линия ликвидус, показывающая начало кристаллизации (конца плавления) всех сплавов. Выше линии ликвидус АСD все сплавы жидкие.

Линия AECF – линия солидус, показывающая значения температуры конца кристаллизации (начала плавления) сплавов. При температуре ниже линии АECF сплавы находятся в твердом состоянии.

При охлаждении на линии АС из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. В области диаграммы АСЕ сплавы будут состоять из двух фаз – жидкого раствора и кристаллов аустенита.

Рис. 22. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

На линии АЕ кристаллизация закончится, и ниже сплавы будут иметь аустенитную однофазную структуру. Точка Е указывает максимальную (предельную) растворимость углерода в аустените – 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода до 2,14 %, лежащие левее точки Е, называются сталями.

После окончания процесса первичной кристаллизации все стали будут иметь структуру аустенита – твердого раствора углерода в гамма-железе, но гамма-железо существует только выше температуры 910°C (см. рис. 13). При понижении температуры сталь превращается в немагнитное бета-, а затем – в магнитное альфа-железо с образованием нового твердого раствора – феррита (начинается перекристаллизация сплавов). Под влиянием углерода температура этого превращения понижается от 910 до 727°C – линия GS диаграммы. Следовательно, в сталях, содержащих менее 0,8 % углерода, полиморфное превращение гамма-альфа-железа протекает в интервале температур (между линиями GS и PS) и сопровождается диффузионным перераспределением углерода между аустенитом и образующимся ферритом. Структура феррита показана на рис. 23, а. Ферритные зерна под микроскопом выглядят светлыми.

Точка Р диаграммы (727°C), представленной на рис. 22, соответствует максимальному содержанию углерода в феррите – 0,025 %. В точке Q (0°C) – минимальная растворимость углерода в феррите – 0,006 %. Выделяясь по границам зерен, третичный цементит резко снижает пластичность феррита.

Понижение температуры вызывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14 % при температуре 1147°C (точка Е диаграммы) до 0,8 при 727°C (точка S). Следовательно, линия SE – линия предельной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии из аустенита выделяется цементит вторичный. Выделяясь сплошной сеткой по границам зерен аустенита, вторичный цементит охрупчивает сталь. Таким образом, под линией GS (см. рис 22) – сплавы двухфазные – аустенит и феррит, а в области ниже линии SE – аустенит и цементит вторичный.

В точке S, где пересекаются линии GS и SE, происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси кристаллов феррита и цементита вторичного, которая называется перлитом.

Точка S – эвтектоидная точка диаграммы, а линия PSK (температура – 727°C), проходящая через эту точку, – линия эвтектоидного (перлитного) превращения.

Ниже температуры 727°C стали, содержащие углерода менее 0,8 %, со структурой феррит и перлит называются доэвтектоидными сталями. Микроструктура доэвтектоидной стали с 0,6 % углерода показана на рис. 23, б (светлые участки – зерна феррита, темные – перлита).

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Двухфазная структурная составляющая эвтектоидной стали перлит представлена на рис. 23, в. При большом увеличении хорошо видно пластинчатое строение кристаллов цементита на светлом фоне феррита. Это определило его название – пластинчатый (d = 9 – 12 %, НВ190 – 230).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % со структурой перлит и цементит вторичный называются заэвтектоидными сталями. Микроструктура заэвтектоидной стали показана на рис. 23, г. На микрофотографии хорошо видны светлые кристаллы цементита вторичного пластинчатой формы по границам зерен перлита.

а б

в г

Рис. 23. Микроструктура сталей: а – феррит (´ 300);

б – доэвтектоидная: Ф + П (´ 150); в – эвтектоидная: П (´ 1200);

г – заэвтектоидная: П + Ц_II (´ 600)

4.2.1. Критические точки сталей (точки Чернова)

Критические точки сталей обозначают буквой А с индексом, указывающим, какому процессу соответствует критическая точка: нагреву – индекс «с», охлаждению – «r». Кроме того, каждая точка имеет постоянный номер, который соответствует определенной температуре (линии диаграммы).

Для определения критических точек сталей рассмотрим рис. 24. Сечение I соответствует доэвтектоидной стали (С < 0,8 %). Там, где сечение пересекает линии диаграммы, и будут критические точки. При нагревании сечение пересекает пунктирную линию, которая проходит через всю диаграмму от линии PQ до правой ординаты, буквенного обозначения она не имеет, ее температура – 210°С – это критическая точка Ас₀ – магнитное превращение цементита (цементит теряет магнитные свойства). Затем сечение пересекает линию PSK, температура – 727°С, критическая точка Ас₁ – превращение перлита в аустенит (начало перекристаллизации). Далее сечение пересекает линию МО, температура – 768°С, точка Ас₂ – превращение альфа-железа в немагнитное бета-железо, сталь становится немагнитной. Дальнейшее повышение температуры приводит к пересечению линии GS – точка Ас₃, сталь переходит в однофазное аустенитное состояние (конец перекристаллизации).

Температура точки Ас₃ зависит от содержания углерода в стали, поскольку линия диаграммы GS наклонная.

При охлаждении номера точек не меняются. В точке Аr₃ (линия GS) начнется перекристаллизация стали, в точке Аr₂ (768°С) бета-железо переходит в магнитное альфа-железо, в точке Аr₁ (727°С) аустенит переходит в перлит и заканчивается перекристаллизация стали, а в точке Ar₀ цементит становится магнитным. Следовательно, доэвтектоидные стали имеют критические точки А₀, А₁, А₂ и А₃.

У заэвтектоидных сталей С > 0,8 % (сечение II на рис. 24). При температуре 210°С в точке Ас₀ цементит теряет магнитные свойства. Дальнейший нагрев вызывает превращение перлита в аустенит в точке Ас₁, температура – 727°С (начало перекристаллизации). Затем сечение пересекает линию диаграммы ES. На этой линии перекристаллизация заканчивается и происходит переход стали в однофазное аустенитное состояние. Точка на линии ES номера не имеет, она обозначается буквой m (Ас_m). Температура этой точки зависит от содержания углерода в стали. Следовательно, заэвтектоидные стали имеют три критические точки: А₀, А₁ и А_m.

Исходя из изложенного выше можно утверждать, что эвтектоидные стали (углерода 0,8 %) будут иметь две критические точки: А₀ и А₁ (см. рис. 24).

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при первичной кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Дата добавления: 2014-01-07