Диаграмма состояний сплавов железо-цементит
Пара громадная сложность диаграммы состояний сплавов Fe — Fe3C если сравнивать с изученными позвана наличием у железа аллотропических модификаций.
Вглядевшись в диаграмму, возможно легко подметить, что она является сочетаниемдвух диаграмм четвертого типа. Первая диаграмма включает в себя линии ACD, AECF и SE. Вторая — линии GOSE, GMPSK и QP.
К той и второй диаграмме всецело приложимы все неспециализированные закономерности, изученные для диаграммы А1 — СиА12.
направляться не забывать, что выше линии ACD находится область жидких растворов, каковые при медленном (равновесном) охлаждении и кристаллизации испытывают фазовые превращения в соответствии с правилом отрезков и правилом фаз. Совершенно верно такое же положение отмечается и для второй диаграммы с той только отличием, что выше линии GOSE находится область не жидких, а жёстких растворов, каковые при предстоящем охлаждении ниже линии GOSE кристаллизуются снова и испытывают фазовые превращения, подчиняясь тем же закономерностям, что и жидкие растворы.
Замечая за поведением сплава при перемещении фигуративной точки вниз из положения 1 в положение 9, возможно видеть, что ордината сплава I пересекает линии, находящиеся в собствености двум диаграммам III типа. Иначе говоря сплав два раза претер* певает принципиально сходные фазовые превращения: при больших температурах — кристаллизацию жидкого раствора L с превращением его в жёсткий раствор у, а при более низких температурах — новую кристаллизацию, но не жидкого, а жёсткого раствора у с превращением его в второй жёсткий раствор а.
Перед тем как выполнить систематический разбор фазовых превращений сплавов, нужно условиться относительно названий отдельных фаз, появляющихся при образующих и превращениях те либо иные структурные составляющие. Целесообразно принять кроме этого способ краткого обозначения отдельных фаз и структурных составляющих.
В первую очередь направляться указать, что на диаграмме имеются три области однофазных состояний сплавов:
1) область жидких растворов, обозначаемых буквой L
2) область жёстких растворов углерода либо цементита в высокотемпературной модификации железа FeT. Жёсткий раствор углерода в Fe7 обозначают греческой буквой у и именуют аусте-нитом. Как видно из диаграммы, область аустенита либо у-раст-вора ограничена линией AESOGA. Растворимость углерода в аустените изменяется от нуля до предельно высокой, составляющей 2,0% С при температуре 1130° (точка Е);
3) область жёстких растворов углерода либо цементита в низкотемпературной модификации железа Fe«. Эти жёсткие растворы обозначают греческой буквой а и именуют ферритом. Растворимость углерода в феррите изменяется от нуля до0,025%С при температуре 723° (точка Р).
Из сравнения предельных растворимостей видно, что Fe« способно растворить углерода значительно меньше, чем FeT.
Феррит магнитен до 768°, при более больших температурах он утрачивает магнитность. Линия МО разделяет на диаграмме области существования магнитного и немагнитного феррита.
Все другие области диаграммы характеризуют двухфазное состояние сплава. В этих регионах смогут в один момент находиться (сосуществовать) или жидкий раствор с раствором у, или раствор у с раствором а (обозначается у + а), или один из этих трех растворов с цементитом FesC, что при достаточных концентрациях углерода способен выделиться как из жидкого, так и из обоих жёстких растворов.
Три фазы ни в одной из областей диаграммы сосуществовать не смогут. Наличие трех фаз типично лишь для сплавов, соответствующих точкам С и S и горизонталям, на которых они находятся. Точка С есть простой эвтектической точкой, в которой жидкий раствор концентрации 4,3% С при температуре ИЗО0 преобразовывается в эвтектику, т. е. распадается на две фазы: жёсткий раствор у предельной насыщенности 2,0% С и цементит.
Эвтектический сплав и любой сплав, содержащий эвтектику, в ходе кристаллизации при постоянной температуре находится 0 трехфазном состоянии. Всецело затвердевшая эвтектика находится при температуре 1130° в двухфазном состоянии и представляет собой тесную механическую смесь жёсткого раствора у, содержащего 2% С, и цементита.
Эвтектика в разных сплавах и, например, в совокупности Fe — Fe3C представляет собой одну из обычных частей структуры сплава (структурную составляющую) с характерными, ей свойственными чертами: определенным составом (4,3% С), определенной и самая низкой температурой плавления (1130°) и характерным строением тесной механической смеси двух фаз.
Полную принципиальную аналогию с указанным воображает точка 5, которая в отличие от эвтектической именуется эвтектоидной точкой.
Эвтектоид в железоуглеродистых сплавах довольно часто именуют перлитом (благодаря радужного отлива при рассмотрении в травленном виде, что напоминает перламутр.
Не считая цементита, содержащегося в эвтектике и в эвтектоиде и именуемого соответственно, эвтектическим либо эвтектоидным, в сплавах может находиться цементит, выделившийся из идких заэвтектических сплавов и именуемый первичным, цементит, выделившийся из заэвтектоидных жёстких растворов у и именуемый вторичным (обозначение РезСц), и, наконец, выделившийся из жёстких растворов а, содержащих углерода более 0,006%, и именуемый третичным.
Эти разновидности цементита образуются при разных условиях кристаллизации и владеют быстро разным внешним видом как по сравнению между собой, так и если сравнивать с эвтектическим и эвтектоидным цементитом. Исходя из этого их принято различать как независимые структурные составляющие. Но, присутствуя совместно, все эти структурные разновидности цементита образуют одну, а не пара фаз, поскольку их физические и химические особенности однообразны.
Сейчас, руководствуясь правилом отрезков и правилом фаз, и способом и соображениями обозначения, изложенными выше, возможно обрисовать поведение нескольких обычных сплавов при охлаждении либо при нагреве.
Принято дробить железоуглеродистые сплавы на пара групп в зависимости от содержания углерода. Мы разглядим: сплавы (стали) доэвтектоидные (от 0 до 0,8% С), эвтектоидные (0,8% С), заэвтектоидные (от 0,8 до 2% С), и сплавы (чу-гуны) доэвтектические (от 2 до 4,3% С), эвтектические (4,3% С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67% С).
Напомним, что среди доэвтектоидных сталей полезно выделить подгруппу малоуглеродистых сплавов с содержанием углерода эт 0 до 0,025% С, с которой мы и начнем изучение диаграммы.
Сплавы I и II при охлаждении из области жидких растворов до комнатных температур и обратном нагревании подчиняются принципиально тем же закономерностям, что и сплавы А1 — CuA12 с содержанием меди
Сплавы / и II в соответствии с упрощенной диаграммой (рис. 35), охлаждаясь от точки / до точки 4 в согласии с диаграммой III типа, переходят из жидкого раствора L в жёсткий раствор у (аустенит). Понижение температуры от точки 4 до точки 6 свидетельствует для сплавов I и II простое охлаждение до линии GOS, в то время, когда у жёсткий раствор кроме этого в соответствии с неспециализированными закономерностями диаграммы III типа начинает выделять из себя жёсткий раствор а (феррит).
Как кристаллизация из жидкого раствора L, так и кристаллизация из жёсткого раствора f подчиняются правилу отрезков.
Кристаллизация сплавов / и // из области у заканчивается полным превращением аустенита в феррит. При пересечении ординатами сплавов I и II линии переменной растворимости PQ из жёсткого раствора а (феррита) выделяется цементит, именуемый третичным и обозначаемый Fe3Cm. Отметим еще, что а жёсткий раствор (феррит), образующийся ниже линии GOS, делается магнитным при температуре 768° в ходе охлаждения, и при той же температуре теряет магнитность в ходе нагрева.
Рис. 1. Иллюстрации превращений в доэвтектоидной стали: а — использование правила рычага при перлитного превращения аусте-нита; б — кривая охлаждения; в — участок диаграммы
Для сплавов, насыщенных углеродом сверх 0,025%, к примеру С = 0,4% (рис. 36,а), в соответствии с правилу рычага в феррит превратится лишь часть аустенита, тогда как сохранившийся аустенит, неспешно обогащаясь углеродом, при охлаждении до горизонтали PSK достигнет эвтектоидной концентрации (0,8% С). Данный аустенит потом сберигаться неимеетвозможности и при температуре 723° претерпевает превращение по реакции эвтек-тоидного распада.
Наряду с этим образуется эвтектоид (перлит), воображающий тесную механическую смесь кристаллитов двух фаз: феррита предельной насыщенности ссоде и цементита Fe3C.
Указанное превращение аустенита в перлит возможно коротко нарисовано следующим образом: т08- (а0025 + Fe3C)08.
Данной реакцией все сплавы с содержанием С 0,025% отличаются от сплавов с концентрацией С
Ввиду практической важности сплава III, как обычного Редставителя обширно используемых сталей доэвтектоидного состава, разберем данный случай относительно детально, начиная с точки 5, лежащей в аустенитной области.
Следовательно, при комнатных температурах сплав будет состоять нз избыточного феррита с 0,006% С, перлита — эвтек-тоида с 0,8% С, воображающего тесную механическую смесь цементита и феррита, и маленьких количеств третичного цементита, выделившегося как из феррита избыточного, так и из феррита эвтектоидного.
Ввиду малых количеств Fe3Cin и малого влияния его на особенности доэвтектоидных сталей о нем время от времени вовсе не упоминают и уверены в том, что медлительно охлажденная доэвтектоидная сталь складывается из перлита и избыточного феррита. Термическая кривая при охлаждении этого сплава из аустенитной области до комнатных температур представлена на рис. 1,б.
Фазовые превращения в соответствии с ходом термической кривой возможно проследить по диаграмме состояний, расположенной на рис. 1,е.
Разглядим эти превращения.
При охлаждении до температуры а однородный жёсткий раствор f (ъустенит) насыщается железом, избыток которого начинает выделяться в виде феррита состава, соответствующего точке Ь. Это выпадение избыточного феррита длится в промежутке температур ad и сопровождается выделением теплоты кристаллизации, что приводит к изменению наклона (перелом) на протяжении термической кривой (участок ad термической кривой).
Потому, что аустенит (у08) в ходе выдержки dd’ при 723° преобразовывается в перлит, постольку в сплаве с 0,4% С по окончании окончательного охлаждения будет иметься по 50% перлита и феррита по весу, и и по количеству. Последнее разъясняется наблюдающимся практическим равенством удельных перлита и весов феррита. Площади, занимаемые на микрошлифе перлитом и ферритом, пропорциональны их весам и объёмам.
Имея микрофотографию медлительно охлажденной стали С = 0,4%, возможно убедиться в примерном равенстве площадей, занимаемых т°и и второй структурной составляющей.
Менее углеродистые стали будут содержать довольно больше феррита, более углеродистые — довольно больше перлита.
Рис. 2. Структуры доэвтектбидных сплавов Fe—Fe3C: а) С = 0,025%, б) С = 0,15%, в) С = 0,4%, г) С = 0,64%.
Из изложенного направляться, что, пользуясь правилом рычага, возможно решить две задачи:
1) по содержанию углерода заблаговременно выяснить относительные количества перлита и феррита в структуре медлительно охлажденной доэвтектоидной стали;
2) по микроструктуре доэвтектоидной стали определить соотношение площадей, занимаемых перлитом и ферритом, а следовательно, установить состав (содержание углерода) в данной стали.
Структуры последовательности доэвтектоидных сталей с разным содержанием углерода приведены на рис. 2.
Сплав эвтектоидного состава с содержанием углерода 0,8% отличается от сплава III тем, что в первом целый аустенит всецело сохраняется до температуры 723° без распада. Превращение аустенита происходит при эвтектоидной температуре с образованием перлита. Исходя из этого все превращения в этом сплаве при охлаждении из области аустенита (точка 5) возможно изобразить следующим образом.
При комнатной температуре в сплаве эвтектоидного состава С = 0,8% отмечается присутствие чистого эвтектоида — перлита с содержанием углерода 0,8%. Третичный цементит Fe3C ш, образующийся из эвтектоидного феррита в ходе его охлаждения ниже температуры 723°, в большинстве случаев во внимание не принимается, поскольку он выделяется на кристаллитах Fe3C эвтектоида.
Рис. 3. Структуры эвтектоидной и заэвтектоидной стали: а) С = 0,8%, б) С = 1,2%.
Заэвтектоидные сплавы свойственны тем, что у них в избытке против эвтектоидного состава оказывается не феррит, как это имело место в доэвтектоидных сплавах, а цементит. Исходя из этого при охлаждении из аустенитной области до линии SE (точка Аст) любой заэвтектоидный сплав выясняется пересыщенным углеродом и при предстоящем охлаждении выделяет его в виде цементита. Данный цементит, выделяемый аустенитом, как было указано ранее, именуется вторичным и обозначается Fe3Cn. Превращения в сплаве V при охлаждении из области аустенита выглядят следующим образом:
Структура заэвтектоидного сплава при комнатных температурах складывается из вторичного цементита и перлита. Третичный це-ентит, не обнаруживаемый при микроскопическом анализе, во внимание в большинстве случаев не принимается.
Структура сплава V представлена на рис. 3,б, где видны итектоидная пластинчатая смесь цементита и феррита (перлит) э выделения вторичного цементита в виде сетки по границам бывших зерен аустенита.
Время от времени перлитную смесь, появившуюся в количестве прошлого аустенитного зерна, именуют зерном перлита.
Отметим напоследок, что, применяя практически правильное равенство цементита и плотностей перлита, мы имеем принципиальную возможность определять по соотношению площадей пер-вторичного цементита и аита состав заэвтектоидной стали. Но высокая насыщенность цементита углеродом (6,67%) ведет к тому, что кроме того при довольно маленьких неточностях определения площадей по микроструктуре появляются неточности, фактически обесценивающие указанную возможность.
Чугуны доэвтектические (2,0—4,3% С), эвтектический (4,3% С) и заэвтектические (4,3—6,67% С)
Чугуны отличаются от сталей присутствием эвтектики, со стоящей в конце кристаллизации (при температуре 1130°) из сме си аустенита с 2,0% С и цементита и обозначаемой Fe3C)4,3
В доэвтектическом чугуне наровне с эвтектикой при темпе ратуре 1130° присутствует первичный аустенит с 2,0%С (у20)
В заэвтектическом чугуне не считая эвтектики имеется еще пер вичный цементит Fe3C, .
Чугун эвтектический завершает кристаллизацию, образуя чи стую эвтектику без свободного первичного аустенита либо пер вичного цементита.
В чугунах всех типов кристаллизация первичной фазы и об Разование эвтектики всецело подчиняются правилу отрезков
Рис. 4. Структуры чугунов: а) доэвтектического; б) эвтектического; в) заэвтектического. Ув.: а) и б) 250; в) 200
Тут большие чёрные дендритные образования представ ляют собой первичные выделения аустенита у20 при охлажде нии распавшегося с образованием перлита и вторичного цемен тита.
Бело-тёмная кружевного вида составляющая есть цемен титной эвтектикой (ледебуритом), претерпевшей преэращение аустенита “f20 с образованием перлита (чёрные округлые вклю чения) и вторичного цементита, как это обрисовано для точки 6 сплава VI.
Эвтектический чугун — сплав VII (С = 4,3%) отличается от сутствием первичных выделений, в нем имеется лишь распавшийся ледебурит в виде бело-тёмной составляющей (рис. 39,6)
Заэвтектнческий чугун (от 4,3 до 6,67% С)
Рассмотрение фазовых превращений в заэвтектических чугу-нах не проводится и представляется в качестве независимой работы читателям. направляться только оговорить, что в заэвтектиче-ском чугуне из жидкого раствора L с началом кристаллизации будет выделяться первичный цементит Fe3C,. Структура заэв-тектического чугуна представлена на рис.
39,е.
Превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве кроме этого не рассматриваются. Это возможно проделано читателями самостоятельно. направляться лишь иметь в виду, что процессы превращения в критических точках при нагревании если сравнивать с процессами при охлаждении протекают в обратном направлении.
Так, к примеру, в случае если эвтектоидный сплав в ходе охлаждения при 723° претерпевает превращение аустенита в перлит, то при нагреве в данной же точке перлит преобразовывается в аустенит.
Наиболее значимые превращения в железоуглеродистых сплавах
Напоследок отметим еще раз, что линии диаграммы Fe — Fe3C показывают температуры (критические точки), при которых в сталях протекают фазовые превращения. Большин ство этих точек имеет общепринятые буквенные обозначения. Наиболее значимыми превращениями в доэвтектоидной стали являются:
а) магнитное превращение цементита, происходящее в критической точке А о = 210°;
б) полное растворение третичного цементита в феррите при нагревании и начало образования при охлаждении по линии PQ;
в) превращение перлита в аустенит при нагревании (и обратное превращение при охлаждении), происходящее в точке Aci (Агх) на линии PSK;
г) магнитное превращение в феррите, происходящее в точке Ас2 (Аг3) на линии МО;
д) полное растворение феррита в аустените при нагревании, ооисходящее в точке Ас3, и начало выпадения феррита из аустенита в точке Аг3 на линии GOS при охлаждении.
Громаднейшее значение для термической обработки доэвтек-тоидных сталей имеют превращения в точках Ах и Л3, протекающие как при нагревании, так и при охлаждении. В эвтектоидной стали оба эти превращения как бы сливаются и протекают при одной температуре.
В заэвтектоидных сталях громаднейшее значение для термической обработки имеют превращение и перлитное превращение, которое связано с получением чистого аустенита за счет растворения вторичного цементита, что происходит в точке, обозначаемой Аст как при нагреве, так и при охлаждении.
