Построение и изучение диаграммы состояния железо-углерод

Диаграмма состояния железо углерод может иметь следующие фазы:

• жидкая фаза – раствора углерода в железе;
• твердый раствор углерода в гамма-железе;
• твердый раствор углерода в альфа-железе (дельта-железе);
• углерод в виде графита;
• карбид железа Fe3C, который чаще называют цементитом.

Цементит присутствует даже в относительно медленно охлажденных сплавах: требуется длительное выдерживание при повышенной температуре, чтобы разложить цементит на железо и графит. По этой причине диаграмма состояния железо-углерод

имеет два вида: стабильная диаграмма
железо-углерод и метастабильная диаграмма железо-цементит
. Их еще называют «цементитная система» и «графитная система».

Диаграмма состояния – фундамент понимания сталей

Изучение микроструктуры всех сталей обычно начинают с рассмотрения метастабильной диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рисунок). Ее также называют диаграммой состояния железо-цементит (железо-карбид железа). Эта диаграмма дает фундамент для понимания структуры и фазового состава как углеродистых, так и легированных сталей, а также различных термических обработок, которым они подвергаются. См., например, «работу» диаграммы состояния или, может быть, правильнее фазовой диаграммы, при кристаллизации стали в статье «Литая структура стали«.

Рисунок – Метастабильная диаграмма состояния показывает какие фазы можно ожидать в стали при различных комбинациях содержания углерода и температуры. Иногда ее называют диаграммой состояния железо-цементит.

Выводы

Достичь абсолютного равновесия, как физического, так и химического, невозможно, кроме как в специальных лабораторных условиях.

На практике равновесие может быть приближено к абсолютному, но при определенных условиях: достаточно медленного повышения или понижения температуры сплава, который будет длительно выдерживаться по времени.

Источники

• https://FB.ru/article/340918/diagramma-jeleza-ugleroda-diagramma-sostoyaniya-sistemyi-jelezo-uglerod
• https://PokVorota3.ru/prokat/zhelezo-uglerod-2.html
• https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-uglerod-2.html
• https://NiceSpb.ru/materialy/diagramma-zhelezo.html
• https://pressadv.ru/stali/zhelezo-uglerod.html
• https://wiki2.org/ru/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B0_%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B2_%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BE-%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4
• https://generator98.ru/raboty-so-stalyu/tablica-zhelezo-uglerod.html

Растворимость углерода в аустените и феррите

В низкоуглеродистом левом крае метастабильной диаграммы железо-углерод мы видим феррит (альфа-железо), который имеет максимальную растворимость 0,022 % при температуре 727 °C и аустенит (гамма-железо), который растворяет 2,11 % углерода при температуре 1148 °C. Видно, что область аустенита (гамма-железа) намного больше по сравнению с областью феррита (альфа-железа). Это ясно указывает на значительное большую растворимость углерода в аустените с максимумом 2,11 % при температуре 1148 °C.

Упрочнение углеродистых сталей, как и многих других сталей, основано именно на этой разнице в растворимости углерода в альфа-железе (феррите) и гамма-железе (аустените).

В богатой углеродом стороне метастабильной диаграммы Fe-C мы находим цементит (Fe3C). Меньший интерес, за исключением высоколегированных сталей, представляет дельта-феррит при самых высоких температурах.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

1. Техническое железо.
2. Стали.
3. Чугуны.

Техническое железо

К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

Однофазные области диаграммы

Подавляющее большинство сталей имеет только две аллотропических формы железа:

• альфа-железо с объемноцентрированной кубической (ОЦК) атомной решеткой и
• гамма-железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) атомной решеткой.

При комнатной температуре ОЦК феррит является устойчивым от температуры 912 °C (точка А3), при которой он превращается в ГЦК аустенит. Аустенит превращается обратно в феррит при температуре 1394 °C (точка А4).

Этот высокотемпературный феррит называют дельта-ферритом, несмотря на то, что его кристаллическая структура идентична той, что у альфа-феррита. Дельта-феррит остается устойчивым до того, как он расплавляется при температуре 1538 °C.

Свойства технически чистого железа

Магнитные свойства железа при различных температурах:

• менее 768° С – ферромагнитно;
• более 768° С – парамагнитно.

А температурную точку 768° С называют точкой магнитного превращения, или точкой Кюри.

Свойства технически чистого железа:

• твердость – 80 НВ;
• временное сопротивление — 250 МПа;
• предел текучести – 120 МПа;
• относительное удлинение 50 %;
• относительное сужение – 80 %;
• высокий модуль упругости.

Критические температуры стали

Наиболее важные границы однофазных областей имеют специальные названия, Они включают (в международных обозначениях):

• А1 – эвтектоидная температура, которая является минимальной температурой для аустенита;
• А3 – низкотемпературная граница аустенита при низком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + феррит»);
• Асm – противоположная граница аустенитной области при высоком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + цементит).

Иногда к обозначениям этих температур добавляют буквы c, e и r, например, Ас1, Ас3 и Аccm. Буква с обозначает, что фазовые превращения происходят при нагреве, буква e – при равновесии фаз, а буква r – при охлаждении.

Стабильная диаграмма железо-графит

Эту диаграмму называют также «графитной». При очень низкой скорости охлаждения углерод в виде графита может кристаллизоваться прямо из жидкой фазы. В этом случае образуется эвтектическая смесь аустенита и графита вместо эвтектики аустенита и цементита. Как показано на диаграмме штриховые линии, которые относятся к системе железо-графит, проходят при более высоких температурах, чем соответствующие линии системы железо-цементит. Это указывает на большую стабильность и близость к полному равновесию системы железо-графит. В пользу этого вывода свидетельствует и тот факт, что нагрев высокоуглеродистых сталей с большим содержанеим цементита приводит к его распаду: цементит —> железо + графит.

При умеренных скоростях охлаждения часть сплава может кристаллизоваться согласно «графитовой» диаграмме состояния, а другая часть – согласно «цементитной» диаграмме состояния.

Линии фазового равновесия на диаграммах обоих систем могут смещаться в зависимости от конкретных скоростей охлаждения. Наиболее заметное смещение можно видеть для линий выделения углерода в твердом гамма-растворе. Поэтому диаграмма является по-настоящему правильной только при условии очень медленного охлаждения сплавов.

Эвтектоидный перлит

Содержание углерода, при котором аустенит имеет минимальную температуру, называется эвтектоидным содержанием (0,77 % углерода по массе для случая метастабильной диаграммы состояния). Смесь ферритной и цементитной фаз при этом составе углерода, которая образуется при медленном охлаждении имеет характерную пластинчатую структуру, которую называют перлитом. Перлит представляет собой совокупность чередующихся пластин феррита и цементита. Эти пластины после выдержки при температуре близкой к А1 огрубляются («сфероидизируются») в цементитные частицы, распределенные в ферритной матрице.

Учебные материалы

Компонентами данной системы являются железо и углерод. Железо — металл серебристо-белого цвета, атомный номер 26, атомный вес 55,85, атомный радиус 1,27 Å, температура плавления 1539 0С, плотность 7,86 г/см3. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью: НВ80, sв = 250 МПа, d = 50 %, j = 80 %; имеет три полиморфные модификации Fea, Feg и Fed.

Углерод

— неметаллический элемент, атомный номер 6, атомный радиус 0,77 Å, атомный вес 12,01, температура плавления 3500 0С, плотность 2,5 г/см3. Углерод полиморфен. Он может образовывать три кристаллографические формы: графит, алмаз, фуллерен.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, с железом может образовывать химическое соединение — цементит.

На диаграмме ”Fe-C” могут быть четыре фазы:

1) жидкая фаза (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А); 4) цементит (Ц).

Жидкая фаза — существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Феррит

— твердый раствор внедрения углерода в Fea.

Углерод располагается в решетке a-Fe в центре грани куба. Максимальная растворимость достигает 0,02 % С при 727 0С. При комнатной температуре максимально растворяется до 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа.

Аустенит

— твердый раствор внедрения углерода в Feg.

Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-Fe 2,14 % при 1147 0С и 0,8 % при 727 0С.

Цементит

— химическое соединение железа с углеродом Fe3С.

В цементите содержится 6,67 % С. Он имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита точно не определена и составляет около 1500 0С. Цементит обладает очень высокой твердостью — порядка 800 НВ, хрупкий. До 217 0С имеет слабые ферромагнитные свойства. По моменту образования в сплаве цементит условно подразделяется на первичный (ЦI) — кристаллизуется из жидкой фазы, вторичный (ЦII) — выделяется из аустенита, третичный (ЦIII) — выделяется из феррита.

Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

В учебном пособии рассматривается упрощенная диаграмма ”Fe-С” без высокотемпературного участка перитектического превращения (рисунок 29).

Линии на диаграмме:

АСД — ликвидус; АЕСF — солидус; SЕ — линия предельной растворимости углерода в аустените; РQ — линия предельной растворимости углерода в феррите; GS- линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) — аустенита в феррит; РG — линия конца вторичной перекристаллизации; S — эвтектоидная точка; РSК — линия эвтектоидного превращения; С — эвтектическая точка; ЕСF — линия эвтектического превращения.

Сплавы на диаграмме:

• до 0,02 % С — техническое железо (феррит);
• до 2,14 % С — углеродистые стали;
• свыше 2,14 % С до 6,67 % С — углеродистые чугуны;
• от 0,006 % С с до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;
• 0,8 % С — эвтектоидная сталь;
• свыше 0,8 % С до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;
• от 2,14 % С до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;
• 4,3 % С — эвтектический чугун;
• свыше 4,3 % С до 6,67 % С — заэвтектическими чугуны;
• 6,67 % С — цементит.

Эвтектоид представляет собой мелкодисперсную механическую смесь двух фаз — феррита и цементита вторичного (Ф+ЦI) и называется перлитом (П). Эвтектоид образуется при строго определенном количестве углерода в сплаве — 0,8 %. Эвтектоидное превращение (при охлаждении) идет при постоянной температуре (727 0С):

Рисунок 29 — Диаграмма состояния сплавов системы «железо-углерод» и кривые охлаждения

Эвтектика

представляет собой мелкозернистую механическую смесь двух фаз – аустенита и цементита первичного (А+ЦI) при 1147 0С и называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (1147 0С), когда жидкая фаза имеет строго определенное содержание углерода — 4,3 %:

Фазовые превращения в сплавах при охлаждении прослеживаются по кривым охлаждения.

Сплав I

содержит 0,8 % С и является эвтектоидным. Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки S в сплаве не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. При температуре 727 0С (точка S) весь аустенит превращается в перлит. После эвтектоидного превращения феррит содержит 0,02 % С.

По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,006 %. Избыток углерода идет на образование цементита третичного (ЦIII). Структура стали при комнатной температуре перлит. Из-за небольшого количества в сплаве цементит третичный на диаграмме не указывается.

Сплав II

является заэвтектоидным. От точки 3 до точки 4 идет кристаллизация аустенита. В точке 4 кристаллизация завершается, и сплав охлаждается без фазовых превращений до точки 5, которая соответствует предельной растворимости углерода в аустените.

По мере охлаждения содержание углерода снижается до 0,8 %. Избыток углерода идет на образование цементита вторичного (ЦII). При температуре 727 0С идет эвтектоидное превращение (точка 6). В результате охлаждения сплава до комнатной температуры образуется цементит третичный (ЦIII). Структура стали — перлит и цементит вторичный (располагается по границам зерен перлита).

Сплав III

является эвтектическим чугуном и содержит 4,3 % С. При охлаждении сплава при температуре 1147 0С (точка С) вся жидкая фаза превращается в ледебурит, в котором аустенит содержит 2,14 % С. По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,8 %. Избыточный углерод образует цементит вторичный. В точке 7 идет эвтектоидное превращение, а ниже, по мере охлаждения, образуется цементит третичный (ЦIII). Изменение фазового состава эвтектического сплава происходит по схеме

Структура эвтектического чугуна — ледебурит.

Сплав IV

является заэвтектическим сплавом. От точки 8 до точки 9 идет кристаллизация первичного цементита (ЦI). В точке 9 жидкая фаза достигает эфтектической концентрации (4,3 % С) и идет эвтектическое превращение, образуется ледебурит. Превращение ледебурита до комнатной температуры аналогично сплаву III. Структура сплава — иглы первичного цементита и ледебурит.

Все углеродистые чугуны имеют температуру конца кристаллизации ниже, чем углеродистые стали, так как содержат в своем составе эвтектику (ледебурит). Этим определяются высокие литейные свойства чугунов (жидкотекучесть, небольшая усадка и малая склонность к поглощению газов) и отсутствие пластичности из-за повышенного содержания цементита.

Микроструктура железоуглеродистых сплавов приведена на рисунке 31.

Критические точки на диаграмме «Железо-углерод» > Дальше >

Химические свойства

Как химическое соединение цементит обладает своими физическими, химическими и механическими характеристиками. Он имеет серый кристаллический вид на изломе, относительно твёрдый с высокой термической устойчивостью. Основные химические свойства цементита выражаются в следующих показателях:

• химическая формула Fe3C;
• разложение структуры происходит при температуре более 1650°С;
• подвержен воздействию различных кислот (особенно высоко концентрированных);
• быстро вступает в реакцию с кислородом.

На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:

• температура плавления равняется 1700 °С;
• молекулярная масса составляет 179,55 а.е.м.;
• плотность цементита равна 7,7 г/см3 при температуре равной 20 °С.

К основным механическим свойствам относятся:

• твердость;
• стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
• сопротивление на излом;
• пластичность.

Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной хрупкостью и низкой пластичностью.

Обладая перечисленными свойствами, цементит активно используется при производстве литых деталей различного назначения. Образование различного вида цементита и его соединений с другими формами приводит к изменению характеристик получаемой стали или чугуна, следовательно, к улучшению или снижению отдельных потребительских свойств.

Например, для получения белого чугуна и придания ему высокой прочности и пластичности стараются перевести цементит в графит. Это достигается при проведении операции отжига. При возрастании температуры он распадается на две составляющие: феррит и графит.

В зависимости от требуемых свойств в чугуне стараются сохранить требуемое количество цементита. Особенно это касается так называемого свободной фракции этого соединения. Для снижения его концентрации применяют различные способы химической и термической обработки. Для решения этой задачи применяют раствор азотной кислоты в чистом спирте. Структурно свободный цементит выпадает в осадок в результате кипячения чугунной болванки в этом растворе. Кроме этого применяют три вида обработки: отжиг, нормализацию и закалку.

Техническое железо содержит третичный цементит в сочетании с ферритом. Он проявляется по границе феррита при содержании углерода от 0,01% до 0,025%. Для повышения качества стали стараются снизить содержание свободного цементита. Особенно его концентрация наблюдается в мягких марках стали. Большое влияние на качество штамповки оказывает содержание этой смеси и перлита в единице объёма. Излишнее присутствие третичного цементита, особенно в форме продолжительной цепочки или сетки приводит к образованию разрывов во время штамповки. Поэтому для получения хорошей ковочной стали стараются снизить количество третичного цементита. Структура таких образований не должна превышать второго балла по установленной шкале. Получаемая твёрдость не должна превышать HB 50 единиц.