4. Диаграмма состояния

Диаграмма состояния железо—углерод в интервале концентраций от железа до цементита представлена на рис. 134. Ось абсцисс (концентрационная) на этом рисунке двойная: содержание углерода и содержание цементита.

Укажем попутно на простое правило — умножение содержания углерода на 15 дает содержание цементита в стали и чугуне, (по массе), а практически (объемы.).

Линия является ликвидусом системы, линия — солидусом.

Так как железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение имеет две аллотропические формы о и V. то в системе существуют следующие фазы:

жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус, обозначаемая везде буквой

цементит — линия обозначаемая в дальнейшем химической формулой или буквой Ц;

феррит — структурная составляющая, представляющая собой -железо, которое в незначительном количестве растворяет углерод; обозначается буквой Ф, а или Область феррита в системе железо — углерод расположена левее линии

(кликните для просмотра скана)

аустенит — структура, представляющая собой твердый раствор углерода в у-железе. Область аустенита на диаграмме Обозначается аустенит А, у или

Три горизонтальные линии на диаграмме и указывают на протекание трех нонвариантных реакций.

При (линия ) протекает перитектическая реакция:

В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до

При (горизонталь протекает эвтектическая реакция:

В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом 1. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более

При (горизонталь ) протекает эвтектоидная реакция:

Продуктом превращения является эвтектоидная смесь. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом, имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

У всех сплавов, содержащих свыше углерода, т. е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов, происходит перлитное (эвтектоидное) превращение.

Ранее отмечали, что внешний вид диаграммы железо — углерод (в своей доцементитной части), т. е. расположение линий на диаграмме, является вполне определенным и устоявшимся. Уточнению подвергаются лишь координаты (т. е. температура и концентрация наиболее характерных точек).

Таблица 14. (см. скан) Точки диаграммы железо—углерод

Значения координат точек на диаграмме железо — углерод согласно новейшим экспериментальным данным, приведены в табл. 14.

Диаграмма довольно сложна, поэтому подробно ознакомиться с ней и с процессами превращений в железоуглеродистых сплавах удобнее, разделив диаграмму на отдельные части. Укажем только, что ничего принципиально нового сказано не будет; излагаемые дальше объяснения — это применение к диаграмме железо — углерод сведений, полученных при разработке двойных диаграмм в гл. V.

Рис. 135. Часть диаграммы состояния Первичная кристаллизация низкоуглеродистых сплавов

На рис. 135 показан левый верхний участок диаграммы железо — углерод (в области перитектического превращения) 2.

Рассмотрим последовательность превращений сплава концентрации содержащего углерода менее (например,

Кристаллизация сплава начнется в точке 7, когда из него будут выделяться кристаллы -твердого раствора. В процессе кристаллизации концентрация жидкости изменяется по линии А В (часть линии ликвидус), а концентрация твердой фазы — по линии (часть линии солидус). В точке а, лежащей в области существования жидкой и твердой фаз, концентрация жидкости определится проекцией точки с, а твердой фазы — проекцией точки количество твердой фазы определится отношением отрезков количество жидкой фазы — отношением отрезков

В точке 2 количество жидкой фазы становится равным нулю, процесс кристаллизации заканчивается, образуется однородный твердый раствор а. Вновь сплав испытывает превращение в интервале температур 3—4, когда -твердый раствор превращается в твердый раствор. Концентрация фаз изменяется в соответствии с положением линий и

В точке концентрация -фазы определится проекцией точки концентрация у-фазы — проекцией точки количество фаз — отношением отрезков, т. е.

В точке 4 сплав полностью приобретает строение у-твердого раствора.

В правой части фигуры (рис. 135) показана термическая кривая охлаждения этого сплава.

Охлаждение сплава с содержанием углерода протекает сначала так же, как и сплава и начинается с выделения -фазы переменной концентрации.

В точке при жидкость принимает концентрацию В, а а-фазы — концентрацию Н и начинает образовываться -фаза концентрации Ввиду наличия трех фаз превращение протекает при постоянной температуре отрезок 6—6 на кривой охлаждения является горизонтальным. В результате реакции

образуется аустенит (-фаза) концентрации 0,16%. При содержании углерода меньше или больше (т. е. левее или правее точки после окончания перитектической реакции остается в избытке -фаза или жидкость, которая при дальнейшем охлаждении превращается в -фазу. Окончание превращения будет на линиях и (точка Е на рис. 135 не показана), когда, наконец, образуется однофазная структура -фазы.

Таким образом, какой бы сплав мы ни взяли, при содержании углерода менее 0,5%, несмотря на предварительные образования в конечном итоге образуется -фаза (аустенит).

Рис. 136. Структура аустенита, выявленная травлением при высоких температурах, X 600

То, что аустенит представляет собой однородный твердый раствор углерода в -железе, окончательно удалось установить только рентгеноструктурным анализом. До применения рентгеновских лучей известный русский ученый А. А. Байков использовал специальный метод травления шлифов, предложенный Ле-Шателье для исследования металлов при высоких температурах. Шлифы для микроисследования подвергали травлению при высокой температуре. При этом выявлялась структура, соответствующая высокой температуре. После этого структуру рассматривали при комнатной температуре; изменения, происшедшие в металле при охлаждении до комнатной температуры, не отражаются на структуре, выявленной при высокой температуре.

А. А. Байков, применяя этот способ, показал, что аустенит действительно является однородным твердым раствором (рис. 136).

Рассмотрим процессы первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более (рис. 137).

Особенность первичной кристаллизации этих сплавов заключается в том, что в них она заканчивается эвтектическим превращением при когда жидкость концентрацией дает две твердые фазы — аустенит (2,14 % С) и цементит, т. е. образуется ледебурит.

В сплаве, точно соответствующем эвтектической концентрации , происходит только эвтектическая кристаллизация, протекающая при постоянной температуре.

В доэвтектических сплавах, т. е. сплавах, содержащих углерода меньше (но больше 2,14), эвтектическому превращению предшествует выделение первичного аустенита.

Таким является сплав кривая охлаждения которого показана на правой части рис. 137. Начало кристаллизации этого сплава определяется точкой 1, лежащей на линии ликвидус. При последующем охлаждении происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которых определяется линией солидус, тогда как жидкость имеет концентрацию в соответствии с положением линии ликвидус.

В точке а, лежащей в двухфазной области концентрация жидкой фазы определится проекцией точки а твердой фазы — проекцией точки с, количество этих фаз соотношением отрезков:

Рис. 137. Часть диаграммы состояния Первичная кристаллизация высокоуглеродистых сплавов

В точке 2 при т. е. при пересечении вертикали с горизонталью количество жидкости соответствует отрезку Е—2 и жидкость имеет концентрации точки .

При этой температуре кристаллизуется эвтектика по реакции

Кристаллизацией эвтектики заканчивается первичная кристаллизация этого сплава. В результате первичной кристаллизации структура состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита.

Для заэвтектического сплава, например сплава (рис. 137), начальная стадия кристаллизации заключается в выделении первичного цементита, начинающемся на линии ликвидус (точка 4).

Выделение цементита вызывает обеднение жидкости углеродом. В точке 5, лежащей на линии состав жидкости примет концентрацию С и начнется процесс эвтектической кристаллизации. В результате первичной кристаллизации структура сплава будет состоять из кристаллов первичного цементита и ледебурита.

Из рассмотренных первичных процессов кристаллизации можно сделать следующий важный вывод.

У всех сплавов, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов, содержащих более 2,14% С, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Это различие в структуре при высокой температуре и создает существенное различие в технологических и механических свойствах сплавов. Наличие эвтектики делает сплав нековким. Вместе с тем высокоуглеродистый сплав имеет низкую температуру плавления и его применяют как литейный материал.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее , называют сталями, а более — чугунами.

Рис. 138. Часть диаграммы состояния Вторичная кристаллизация низкоуглеродистых сплавов

Рассмотрим превращение в твердом состоянии весьма малоуглеродистых сплавов.

Левая нижняя часть диаграммы железо — углерод в сильно увеличенном масштабе приведена на рис. 138.

Сплав концентрации содержащий углерода меньше при температуре порядка имеет структуру аустенита. При нормальной температуре железо существует в форме а, следовательно, при охлаждении происходит -превращение или превращение аустенита в феррит. Для чистого, совершенно безуглероди стого сплава это превращение произошло бы при постоянной температуре в точке Для сплава концентрации превращение происходит в интервале температур от точки 1 до точки 2. На кривой охлаждения это превращение изобразится изломом кривой. В интервале между точками 1—2 сплав является двухфазным, состоящим из отличающихся друг от друга по концентрации а- и уфаз.

Ниже точки 2 сплав состоит из однородного -твердого раствора феррита, и никаких изменений при дальнейшем охлаждении с ним не происходит. Структура феррита представлена на рис. Феррит и аустенит являются гомогенными твердыми растворами и имеют полиэдрическую структуру, но по внешнему виду различную (сравним рис. 139, а и б).

Превращение сплава, содержащего углерода более 0,01 %, но менее 0,02 % (сплав ), показано второй кривой охлаждения. Этот сплав отличается тем, что после a-превращения (интервал 3-4) при дальнейшем охлаждении вертикаль сплава пересекает линию в точке 5.

Выше точки 5 сплав не насыщен углеродом. Ниже точки 5 сплав не может сохранять данную концентрацию углерода в растворе, происходит выделение избыточного углерода в виде высокоуглеродистой фазы — цементита. Этот процесс продолжается непрерывно при охлаждении и вызывает обеднение -твердого раствора углеродом до

Рис. 139. Микроструктура железа, а — аустенит; — феррит

Выделяющийся из феррита цементит называется третичным цементитом (в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкости и вторичного цементита, выделяющегося из аустенита).

Рассмотрим превращение аустенита в сплавах, более богатых углеродом, в первую очередь процесс превращения аустенита в сплавах с концентрацией, соответствующей эвтектоидной (рис. 140, сплав с 0,8 % С).

При охлаждении аустенита до точки никаких превращений в нем не происходит.

Точка показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита. При этой температуре начинается эвтектоидный распад аустенита, образование феррита и цементита.

Если пренебречь содержанием углерода в феррите в момент превращения , то реакцию можно написать следующим образом:

В результате превращения получается перлит. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок и цементита (рис. 141).

Сплав содержащий, например, , имеет избыток железа по сравнению с эвтектоидной концентрацией. Поэтому превращение аустенита начинается с выделения феррита. Точка 2, лежащая на линии соответствует началу этого процесса.

При дальнейшем охлаждении выделение феррита, почти не содержащего углерода, вызывает обогащение углеродом остающегося аустенита. Концентрация аустенита меняется по кривой

Рис. 140. Часть диаграммы состояния Вторичная кристаллизация сталей

Рис. 141. Структура перлита,

Рис. 142. Структура доэвтектоидной стали . Феррит + перлит, Х250

В точке имеем феррит аустенит: феррит концентрации точки а, аустенит концентрации точки с. Количество этих фаз определится отношением отрезков:

При достижении сплавом точки 3 состав аустенита примет эвтектоидную концентрацию и при постоянной температуре будет происходить превращение аустенита в перлит (горизонтальный

участок 3—3 на кривой охлаждения). После окончания превращения структура стали будет состоять из феррита и перлита (рис. 142).

Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. При содержании углерода менее 0,02 % структура состоит из одного феррита, при содержании углерода 0,8 % — из одного перлита, при промежуточном содержании углерода — из феррита и перлита. Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита.

Рис. 143. Структура сталей с различным содержанием углерода.

Микроструктуры, приведенные на рис. 143, показывают эту закономерность.

Метод определения содержания углерода по площади, занимаемой в структуре ферритом и перлитом, широко применяют на практике и он конкурирует с химическим

Сплав, содержащий углерода больше 0,8 %, показан вертикальной линией (см. рис. 140). Превращение аустенита начинается в точке 5, когда из аустенита выделяется цементит.

При выделении цементита аустенит обедняется углеродом в соответствии с линией показывающей предельное насыщение аустенита углеродом.

В точке 6 начинается образование перлита, которое происходит при постоянной температуре (горизонтальный участок 6—6 на кривой охлаждения). В результате получается структура, состоящая из цементита, выделяющегося по границам зерен в виде сетки, и перлита (рис. 144).

Рис. 144. Структура заэвтектоидной стали. Перлит + сетка цементита, : а — травление 4 %-ной азотной кислотой; б — травление пикратом натрия

Чтобы не спутать цементит с ферритом, прибегают к специальному травителю — пикрату натрия, который окрашивает цементит в черный цвет, феррит при этом не окрашивается (рис. 144, б).

Различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около , структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше , структура которых состоит феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от до , структура которых состоит из перлита и цементита.

Рассмотрим превращения, совершающиеся в высокоуглеродистых сплавах — чугунах (рис. 145). После окончания первичной кристаллизации структура таких сплавов состоит из ледебуритной эвтектики и из первичных образований аустенита или цементита.

И первичный аустенит, и аустенит, входящий в эвтектику, к моменту окончания кристаллизации содержат максимальное количество углерода в растворе При более низких температурах такое количество углерода не может содержаться в растворе, и при охлаждении до углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените изменяется в соответствии с положением линии Наконец, на линии аустенит, независимо от того, в какой структурной форме он существует (т. е. является ли он избыточным аустенитом или аустенитом эвтектики), претерпевает перлитное превращение.

Рассмотрим конкретные сплавы, кривые охлаждения которых изображены на правой диаграмме рис. 145.

По окончании кристаллизации сплав с 4,3 % С имеет чисто эвтектическую структуру. При охлаждении этого сплава с 1147 до 727 °С (от точки 1 до точки 2) из аустенита, входящего в состав эвтектики, выделяется цементит, который обычно структурно не обнаруживается, так как объединяется с цементитом эвтектического происхождения.

Рис. 145. Диаграмма состояния Вторичные превращения в высокоуглеродистых сплавах (чугунах)

Рис. 146. Микроструктура чугуна: а — эвтектического (ледебурит); б — заэвтектического (ледебурит + первичный цементит); в — доэвтектического (ледебурит + перлит), X 200

В точке 2, т. е. при аустенит эвтектики имеет концентрацию, равную и при этой температуре происходит перлитное превращение.

Следовательно, ниже ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. Структура ледебурита показана на рис. 146, а.

В заэвтектических чугунах происходят превращения, рассмотренные выше, так как первичный цементит не имеет превращений.

Структура заэвтектического чугуна, состоящая из ледебурита и цементита (большие продолговатые светлые образования), показана на рис. 146, б.

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аустенита изменяют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 (сплав ) от 2,14 до 0,8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Структура доэвтектического чугуна показана на рис. 146, в.

Область существования различных структур показана на диаграмме состояния (см. рис. 134). Несмотря на видимую сложность структурных форм, особенно у высокоуглеродистых сплавов, следует указать, что все области диаграммы являются однофазными или двухфазными.

В частности, в области имеется две фазы — аустенит и цементит, а в области — феррит и цементит, образующие различные структурные составляющие, как указано на диаграмме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)