Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,8% углерода С (см. рис. 2).

Q (T= 20°C; 0, 006%C) — минимальная растворимость углерода в железе.

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо Fe, углерод С и цемен­тит Fе₃С.

Железо Fe — переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую темпера­туру плавления — 1539°С ± 5°С.

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911°С и 1392°С. При температуре ниже 911 º С существует α -железо ( ), обладающее объёмно-центрированной кубической решёткой. В интервале температур 911-1392°С устойчивым является γ -железо ( ), обладающее гране-центрированной кубической решёткой. Выше 1392°С железо имеет объёмно- центрированную кубическую решётку и называется δ -железо ( ) или высокотемпературное α -железо ( ). Высокотемпературная модификация α -железа ( ) не представляет собой но­вой аллотропической формы. Критическую температуру 911°С превращения , обо­значают точкой Аз, а температуру 1392°С превращения — точкой А₄.

При температуре ниже 768°С железо ферромагнитно, а выше — парамагнитно. Точка Кюри железа 768°С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твёрдостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности — σ _в = 250 МПа, предел текучести — σ _т = 120 МПа) и высокими характе­ристиками пластичности (относительное удлинение — δ = 50%, а относительное сужение — ψ = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зер­на.

Железо характеризуется высоким модулем упругости Е, которым характеризуются и сплавы на его основе, благодаря чему обеспечивается высокая жёсткость и прочность дета­лей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — твёрдые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом — твёрдые растворы внедрения.

Углерод С относится к неметаллам. Он обладает явлением полиморфизма.

В зависимо­сти от условий образования углерод может существовать в форме графита с гексагональной слоистой кристаллической решёткой (температура плавления — 3500°С, плотность — ρ = 2, 25 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решёткой с координационным числом k = 4 (температура плавления — 5000°С). Графит является мягким материалом и об­ладает низкой прочностью. Однако с увеличением температуры прочность графита аномаль­но растёт: при 20°С σ _в = 20 МПа, а при 2500°С σ _в = 40 МПа. При 2500°С графит прочнее всех тугоплавких металлов.

В сплавах с железом углерод образует либо твёрдые растворы внедрения, либо химиче­ское соединение — цементит Fe₃C. Также углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В случае образования твёрдых растворов растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической структуры. Размеры пор ОЦК кристаллической решётки значительно меньше, чем размеры пор ГЦК решётки. Поэтому α -железо  ( ) способно растворять угле­род в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ -железе (Fe_γ , ) значительно боль­ше.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо Fe хорошо растворяет углерод С в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф) — твёрдый раствор внедрения углерода в α -железе ( ).

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0, 006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0, 02% при температуре 727°С (точка Р). Углерод располагается в дефектах кристаллической решётки железа.

При температуре выше 1392°С существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода С (0, 1%) в δ -железе ( ) при температуре 1499°С (точка Н).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твёрдость — 130 НВ, предел прочности — σ _в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение –

 δ = 30%), обладает магнитными свойствами до 768°С.

Аустенит (А)— твёрдый раствор внедрения углерода С в γ -железе (Fe_γ , ).

В аустените углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0, 8% при температуре 727°С (точка S), максимальную — 2, 14% при температуре 1147°С (точка Е).

Аустенит имеет твёрдость 200... 250 НВ, пластичен (относительное удлинение его со­ставляет — δ = 40.. . 50%), обладает парамагнитными свойствами.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легирующие элементы, образуя твёрдые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно изменять температурные границы существования фаз.

Цементит (Ц) (Fe₃C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержащее 6, 67% углерода С.

Цементит не испытывает полиморфных превращений при изменении температуры. Кристаллическая решётка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (по разным данным она со­ставляет 1250°С или 1550°С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства он теряет при температуре около 217°С.

Цементит имеет высокую твёрдость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но очень низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решётки цементита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода С могут замещаться атомами неметаллов: азотом N, кислородом О; атомы железа Fe — металлами: марганцем Мn, хромом Сr, вольфрамом W и др. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита получил название легированный це­ментит.

Цементит — соединение неустойчивое и при нагреве распадается с образованием сво­бодного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах выделяют три вида цементита в зависимости от темпе­ратуры образования: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третич­ный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механиче­ские свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих фаз в сплавах. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки во­круг зёрен аустенита (при охлаждении — вокруг зёрен перлита). Цементит третичный выде­ляется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ зёрен феррита.

Характерные линии и области диаграммы

ABCD — линии ликвидус — линия начала процесса кристаллизации Выше линии лик­видус (область I) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему — жидкий раствор.

AHJECF — линия солидус — линия завершения процесса кристаллизации. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твёрдом состоянии. При температурах между линия­ми ликвидус и солидус происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одно­временно существуют две фазы — жидкий расплав и кристаллы твёрдых растворов.

Рассматривая линию ликвидус ABCD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода С в железе до 4, 3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим по­вышением содержания углерода (участок CD) температура плавления сплава увеличивается.

На участке линии ликвидус АВ выделяются кристаллы δ -твёрдого раствора (ферри­та Ф), состав которых определяется линией АН. Состав жидкой фазы изменяется по ли­нии АВ. Предельную растворимость углерода (0, 1%) в δ -железе  (феррите Ф) при темпе­ратуре 1493°С показывает точка H.

На участке АН заканчивается кристаллизация феррита Ф. На линии HJB при постоян­ной температуре 1499°С жидкая фаза, содержащая 0, 5% С (точка В) реагирует с ранее вы­павшими кристаллами δ -твёрдого раствора (феррита Ф), что приводит к образованию кри­сталлов нового вида. Реакцию подобного вида называют перитектической (перитектическое превращение). В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита А, содержащего 0, 18% С (точка J):

По линии HN начинается превращение феррита Ф (δ ) в аустенит A, обусловленное по­лиморфным превращением железа. По линии NJ заканчивается превращение феррита Ф (δ ) в аустенит А.

По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают кристаллы аустени­та А переменного состава, с меньшим содержанием углерода (от 0, 5 до 2, 14%), чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением темпера­туры происходит по линии ВС (линия ликвидус), а выпавших кристаллов — по линии JE (линия солидус). На участке JE заканчивается кристаллизация аустенита А.

Таким образом, если сплавы содержат до 2, 14% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147°С, где жидкая фаза обогащается углеродом до 4, 3%. Одновре­менно из расплава выпадают кристаллы аустенита, содержащие 2, 14% С (точка Е) и цемен­тита, содержащего 6, 67% С (точка F).

На участке ECF при постоянной температуре 1147°С идёт эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4, 3% углерода превращается в эвтектиче­скую смесь аустенита А и цементита первичного Ц_I.

Ледебурит (Л) (точка С) — механическая эвтектическая смесь (эвтектика) кристаллов аустенита А и цементита Ц, содержащая 4, 3% С. Эвтектика системы железо - цементит на­зывается ледебуритом Л, по имени немецкого учёного Ледебура.

Сплавы, лежащие праве точки С, т. е. содержащие от 4, 3 до 6, 67% С, кристаллизуются по линии CD. В процессе их кристаллизации выделяется первичный цементит Fe₃C (Ц_I. ). По мере образования из жидкого расплава первичного цементита (Ц_I. ) содержание углерода в жидкой фазе уменьшается.

При температуре 1147°С (линия CF) оставшийся расплав содержит 4, 3% С и затверде­вает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии CF) состоит из первичного цементита (Ц_I. ) и ледебурита Л.

Сплавы, находящиеся левее точки С, т. е. содержащие до 4, 3% С, называются доэвтектическими, а сплавы находящиеся правее от точки С, т. е. содержащие более 4, 3% С, — заэвтектическими. Между линиями ликвидус ABCD и солидус AHJECF (области II и III) желе­зоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твёрдой фаз, причём с понижением температуру количество твёрдой фазы увеличивается.

Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита А и ледебурита Л, структура эвтектического сплава — из ледебурита Л и структура заэвтектического сплава — из первичного цементита (Ц_I. ) и ле­дебурита Л.

Ниже линии солидус AHJECF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдается дальнейшее изменение их структуры, связанное с перекристаллизацией в твёр­дом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением тем­пературы железо переходит из одной модификации в другую ( ) и растворимость углерода в γ -железе Fe_γ и

α -железе Fe_α заметно уменьшается.

По линии PSK при постоянной температуре 727°С идёт эвтектоидное превращение, за­ключающееся в том, что аустенит А, содержащий 0, 8% углерода С, превращается в эвтектоидную смесь феррита Ф и цементита вторичного Ц_II.

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твёрдом состоянии. Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), он содержит 0, 8% углерода С. Название такое эта фаза получила за то, что на полированном и протрав­ленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий его образования.

Доэвтектические сплавы (до 2, 14% С) в области IV состоят из одного аустенита А. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0, 8% С (левее точки S), ниже линии GOS происхо­дит распад аустенита А с выделением из него избыточного феррита Ф, что обусловлено по­лиморфным превращением железа Fe. Так как феррит Ф, выделяющийся при охлаждении аустенита А по линии GOS, содержит не более 0, 02% С (предельная растворимость углерода в α -железе Fe_α , точка Р), аустенит А несколько обогащается углеродом С, изменяя состав по линии GS. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии GOS. Такой процесс протека­ет до температуры 727°С. В точке S при 0, 8% С аустенит А распадается на твёрдую эвтектоидную механическую смесь кристаллов феррита Ф и цементита Ц, называемую перлитом П. Пользуясь правилом отрезков по диаграмме состояния, можно определить соотношение фер­рита Ф и цементита Ц в перлите при 727°С.

,

где Q — количество вещества.

Внешне зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Сплавы, содержащие 0, 8% С называются эвтектоидными, содержащие менее 0, 8% С — доэвтектоидными, и содержащие более 0, 8% С — эаэвтектоидными.

При охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более 0, 8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита А с выделением из него вторичного цементита Ц_II, обусловленный снижением растворимости углерода в аустените при понижении температу­ры. Так как выделяющийся вторичный цементит Ц_II  содержит 6, 67% С, концентрация угле­рода в остающимся аустените А изменяются (уменьшается) по линии SE до состава точки S (0, 8% С) при 727°С.

Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из аустенита А и ферри­та Ф, а в области IX — из феррита Ф и перлита П. Заэвтектоидные сплавы (0, 8 - 2, 14% С) в области V состоят из аустенита Л и вторичного цементита Ц_II, а в области X — из вторично­го цементита Ц_II и перлита П.

Сплавы, содержащие от 2, 14 до 4, 3% С, выше лирии PSK, но ниже линии ECF (об­ласть VI) состоят из аустенита А, вторичного цементита Ц_II и ледебурита Л.

По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит превращение аусте­нита А в перлит П; структура сплава состоит из перлита П, цементита Ц и вторичного леде­бурита Л_II. Сплавы, соответствующие эвтектической точке С, ниже линии PSK имеют струк­туру одного ледебурита Л.

Сплавы, содержащие 4, 3 - 6, 7% С, ниже линии CF, но выше линии PSK (область VII) состоят из цементита Ц и первичного ледебурита Л_I ниже линии PSK (область XII) сплавы сохраняют эту же структуру.

По линии PG происходит превращение аустенита А в феррит Ф заканчивается. Также в нижней левой части диаграммы линия PQ показывает уменьшение растворимости углерода в α -железе Fe_α (феррите Ф) с понижением температуры. По линии PQ из феррита Ф начинает­ся выделение третичного цементита Ц_III, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состо­ят из феррита Ф и третичного цементита Ц_III.

Сплавы, находящиеся внутри области GPQ, состоят только из феррита Ф.

По линии МО при постоянной температуре 768°С имеют место магнитные превраще­ния сплава.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т. е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются они буквой А (от французского arret — остановка):

— линия PSK (727°С) — превращение ;

 — линия МО (768°С, — точка Кюри — магнитные превращения);

— линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение ;

А₄ — линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) превращение

— линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного Ц_II (иногда обозначается Аз).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных темпера­турах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве до­бавляют букву с, т. е. , при охлаждении - букву r, т. е.

Все сплавы, характеризующиеся диаграммой Fe-C, разделяют на: техническое железо (< 0, 006% С), стали (0, 006 < С < 2, 14%) и чугуны (2, 14 < С < 6, 67%).

Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 1, 8% углерода С (см. рис. 2).