АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ
Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо-цементит.
B сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 11-21 – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 31-41 фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 21-31 и ниже точки 41 происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показано на рис.4.
Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1
| 01-11 | 11-21 |
| 
| |
| 21-31 | 31-41 | |
| 
| |
| 41-51 | ||
|
При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см. рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 12-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 12 до В, а феррит - от 1¢2 до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (ЖВ) представлено отрезком НJ, а количество феррита состава точки Н (ФН) отрезком JВ.
При взаимодействии жидкости ЖВ и феррита ФН образуется аустенит состава точки J(AJ) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал концентрация углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С).
| 02-12 | 12-J |
| 
| |
| J-J¢ | J¢-A | |
| 
| |
| Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2 |
В сплавах типа 3 (<0,16% С) и 4 (>0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита или жидкости. Поэтому ниже 1499ОС превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.6), а в сплавах типа 4 - первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7).
Рис.6. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3
| 03-13 | 13-23 |
| 
| |
| 23-2¢3 | 2¢3-33 | |
| 
| |
| 33-43 | ||
|
Рис.7. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4
| 04-14 | 14-24 |
| 
| |
| 24-2¢4 | 2¢4-34 | |
| 
| |
| 34-44 | ||
|
В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 15 до точки 2¢5, а аустенита - от точки 1¢5 до точки 25.
Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 16-26 претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 36, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С).
| 06-16 | 16-26 |
| 
| |
| 26-36 | 36-46 | |
| 
| |
| Рис.8. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 6 |
При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см. рис.3) аустенит при температуре 727ОС (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см.рис.9). В интервале температур ниже 727ОС из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит ЦIII (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной.
07-S
| S-S¢ | S¢-17 | |
| 
| 
| |
| Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7 |
При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см. рис.3) в интервале температур 18-28 происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727ОС аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727ОС доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой - ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727ОС также выделяется третичный цементит ЦIII.
Из аустенита эаэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ЕS (точка 19) выделяется цементит (ЦII) и при температуре 727ОС, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.
Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная - перлитом и избыточным ферритом, эаэвтектоидной - перлитом и избыточным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.
08-18
| 18-28 | |
| 
| |
| 28-2¢8 | 2¢8-38 | |
| 
| |
| Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8 |
09-19
| 19-29 | |
| 
| |
| 29-2¢9 | 2¢9-39 | |
| 
| |
| Рис.11. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9 |
Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727ОС превращается в перлит.
Рис.12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10
| 010-С | С-С¢ |
| 
| |
| С¢-110 | 110-1¢10 | |
| 
| |
| 1¢10-210 | ||
|
В довэтектическом чугуне (см. рис.3., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.3, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.
Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147ОС и 727ОС (см. рис.12-14).
Рис.13. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11
| 011-111 | 111-211 | |
| 
| ||
| 211-2¢11 | 2¢11-311 | ||
| 
| ||
| 311-3¢11 | 3¢11-411 | ||
| 
| ||
Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.
Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.
Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 311 содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 311К/РК, а цементита - Р311/РК.
Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12
| 011-111 | 111-211 | |
| 
| ||
| 211-2¢11 | 2¢11-311 | ||
| 
| ||
| 311-3¢11 | 3¢11-411 | ||
| 
| ||