Диаграмма состояния (Fe–Fe3C)

7.2. Диаграмма состояния (Fe–Fe3C)
Диаграмма состояния Fe – Fe3C характеризует фазовый состав и
превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита
(рис.7.2.1).
Диаграмма железо – цементит служит:
а) для определения структур сталей в равновесном
зависимости от содержания углерода и температуры;
состоянии
в
б) определения температуры термической обработки стали;
в) определения температуры горячей обработки стали давлением;
г) определения
углеродистой стали;
растворимости
углерода
в
аустените
и
феррите
д) определения концентраций и весового соотношения фаз в сталях и
чугунах при различной температуре.
Рис. 7.2.1. Диаграмма состояния Fe – Fe3C
Компоненты системы Fe – Fe3C:
1) Железо – металл с плотностью  =7,8 г/см3 и температурой плавления
Tпл=1539 0С. Имеет ряд аллотропических модификаций. При t<910 0 С имеет
решетку ОЦК (Fe ), при 910 0С< t<1400 0С имеет решетку ГЦК (Fe), приобретает
большую вязкость, пластичность, больше растворяет углерода, при 1400 0С< t
решетка снова ОЦК (Fe ).
2) Углерод – неметалл.  =2,5 г/см3 и Tпл=3500 0 С. Имеет 3 модификации:
алмаз, графит и уголь. В форме графита встречается только в серых чугунах, а во
всех остальных железоуглеродистых сплавах – в виде твердых растворов
внедрения в Feи Fe , а также в виде химического соединения Fe3C.
Максимальное содержание углерода на диаграмме 6,67 %. Такое
количество углерода содержится в цементите Fe3C. Все применяемые в технике
сплавы по своему составу укладываются в эти пределы.
Характеристика структурных составляющих
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор,
феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железе Fe  .
Твердость феррита HB 600 (МПа). Растворимость углерода в феррите
переменная. Он имеет решетку ОЦК, растворимость углерода в Fe  обусловлена
малыми размерами межатомных пар в ОЦК решетке. Значительная доля атомов
углерода вынуждена размещаться на дефектах (вакансиях, дислокациях).
Феррит, кроме углерода, растворяет и другие элементы. С азотом он
образует твердый раствор внедрения, а с легирующими металлами – твердые
растворы замещения. Феррит – мягкая, пластичная фаза.
Аустенит (Ау)– твердый раствор внедрения углерода в железе Fe  .
Твердость аустенита HB 2000 (МПа). Растворимость углерода в аустените
переменная. Он имеет ГЦК решетку, межатомные размеры которой почти в 2 раза
больше, чем в ОЦК, поэтому растворимость углерода в Fe  достаточно велика и
составляет 2,14 %. Аустенит, как и феррит, может растворять и другие элементы,
при этом металлы образуют твердые растворы замещения. Аустенит пластичен,
но более прочен, чем феррит.
Цементит (Ц)– химическое соединение железа с углеродом. Твердость
цементита HB 8000...9000 (МПа). Цементит (Fe3C) имеет постоянное количество
углерода: 6,67 % С. Цементит тверд и хрупок, имеет сложную ромбическую
решетку. При высоких температурах цементит неустойчив и разлагается на
графит и аустенит, поэтому температура плавления цементита точно не
определена и принимается равной 1600 оС.
Различают: первичный цементит Ц1 . Он выделяется при кристаллизации из
жидкой фазы у всех сплавов, содержащих более 4,3 % С. Вторичный цементит Ц2
выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита у сплавов, содержащих
более 0,8 % С в интервале температур 1130 – 727 0С. третичный цементит Ц3
выделяется
при
третичной
кристаллизации
из
феррита
у
всех
железоуглеродистых сплавов, содержащих более 0,008 %С в интервале
температур 727 – 0 0С.
Графит (Гр) – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в
свободном
состоянии.
Он
имеет
гексагональную
решетку.
Графит
электропроводен, химически стоек, мало прочен, мягок.
Перлит (П)– эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита,
которая образуется при распаде твердого раствора аустенита определенного
состава (0,8 % С). Он содержит постоянное количество углерода (0,8 % С) и имеет
твердость HB 2200 (МПа). Эвтектоид – механическая смесь, образующаяся из
твердого раствора в результате аллотропического превращения, в отличии от
эвтектики, которая образуется из жидкого раствора.
Ледебурит (Л)– эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита
при температуре выше 727 0С или смесь перлита и цементита при температуре
ниже 727 0 С. Ледебурит образуется из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С.
Имеет постоянное количество углерода (4,3 % С) и твердость по Бринеллю HB
6000...7000 (МПа).
Превращения на линиях диаграммы Fe – Fe3C
Превращения на линиях диаграммы определяют путем сравнения структур
выше и ниже линии, если рассматривают процесс охлаждения. Например, что
происходит на линии BC при охлаждении? Из диаграммы видно, что выше линии
BC структура жидкая, а ниже линии – жидкость и аустенит (см. рис. 7.2.1).
Следовательно, жидкость превращается в аустенит. Рассмотрим превращения на
линии PS при охлаждении. Выше линии PS структура Ау + Ф, ниже линии PS
структура П + Ф. Сравнивая эти структуры, делаем вывод: на линии PS при
охлаждении аустенит превращается в перлит. Аналогичным образом
определяются превращения на других линиях диаграммы состояния.
На линии CD: Ж
Жост
Ц1. На линии BE: Жост.
Ау. На линии ECF:
Л (Ау+Ц).
На линии PSK: Ау
П.
На линии SE: Ау
Ц2. На линии PG: Ау
Ф. На линии PQ: Ф.
Ц3.
Ц1 , Ц2, Ц3 – цементит, который выделяется в различные температурные
интервалы. Жост – остаточная жидкость (жидкий раствор углерода в железе).
В результате эвтектического превращения на линии ECF, из жидкого сплава
одновременно кристаллизуется эвтектика, состоящая из аустенита с предельной
концентрацией углерода и цементита, которая называется ледебуритом.
Ледебурит имеет большую твердость и хрупкость. Присутствие ледебурита в
структуре сплавов делает их способными к обработке давлением, затрудняет
обработку резанием.
В результате эвтектоидного превращения на линии PSK, образуется
эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом . Перлит
содержит 0,8 % С, ледебурит 4,3 % С. Они оказывает важное влияние на свойства
сплавов. Перлит имеет пластинчатое строение и является прочной структурной
составляющей.
Структуры и фазы на диаграмме Fe – Fe 3C
Структура – картина строения металла, наблюдаемая под микроскопом.
Обозначения структур приведены на диаграмме состояния Fe – Fe3C.
Например, сталь 40 при температуре 600 0С имеет структуру П + Ф. Белый чугун,
содержащий 4,3 % С, при 1000 0С согласно диаграмме состояния имеет структуру
ледебурит, состоящий из смеси аустенита и цементита.
Фаза – однородная часть структуры, имеющая границу раздела, при
переходе через которую меняются химический состав и кристаллическая решетка.
Однородными частями структур (фазами) на диаграмме состояния Fe –
Fe3C являются жидкие и твердые растворы, химические соединения (Fe3C).
Перлит и ледебурит не могут быть фазами, так как они неоднородны. Фазы
определяются из структуры. Примеры приведены в таблице.
Структуры и фазы
Структуры
П (Ф + Ц)
П + Ц + Л (П + Ц)
Л (Ау + Ц)
Ау + Ф
Ж + Ц1
Фазы
Ф, Ц
Ф, Ц
Ау, Ц
Ау, Ф
Ж, Ц1
Правило концентраций и отрезков
Для того чтобы у сплава заданного состава (например, 5 % С) при заданной
температуре (например, 800 0С) определить концентрацию фаз и их весовое
соотношение, необходимо через точку пересечения состава сплава и
температуры (точка «о» на рис. 7.2.1) провести горизонталь влево и вправо до
ближайших линий фаз на диаграмме состояния. Точки пересечения укажут
концентрацию фаз, а отрезки будут обратно пропорциональны весу фаз.
В точке «о» структура сплава (5 % С, t = 800 0С) – ледебурит и цементит. Из
структуры определяем фазы: аустенит и цементит. Для определения содержания
углерода в фазе аустенита данного сплава через точку «о» проведем горизонталь
влево до пересечения с линией SE фазы аустенита на диаграмме. Точка
пересечения «а» укажет содержание углерода в аустените (0,9 % С). Для
определения содержания углерода в цементите через точку «о» вправо проводим
горизонталь до пересечения с линией цементита (DFK). Точка пересечения «в»
укажет концентрацию углерода в цементите (6,67 % С).
Для определения весового соотношения фаз необходимо воспроизвести
указанные отрезки (рис. 7.2.2).
Рис. 7.2.2. Отрезки для определения весовых долей фаз сплава
Соотношение величин отрезков будет обратно пропорционально
соотношению весовых долей фаз. То есть, отрезок «ов», прилегающий к фазе
цементита, будет пропорционален весу аустенита. Отрезок « ао» будет
пропорционален весу цементита.
.
Таким образом, вес аустенита PАу составляет 0,4 веса цементита P Ц.