Диаграмма состояния железо-карбид железа

3. Вычертите диаграмму  состояния железо-карбид  железа, укажите структурные  составляющие во  всех областях  диаграммы. Опишите  превращения и  постройте кривую  нагревания в интервале  температур от 0 до 1600 °С (с применением  правила фаз) для  сплава, содержащего 1,6 % С. Для заданного сплава определите при температуре 1350 °С процентное содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз. 
 

   Точка А (1539° С) на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (~ 1550° С) – температуре плавления цементита Fe₃C. Точка G (911° С) соответствуют полиморфному превращению γ - железа в α - железо. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в γ - железе при  1147° С (2,14% С).

   Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температур, соответствующих линии ACD (линия ликвидус). Конец затвердевания соответствует температурам, образующим линию солидус AECF.

   При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии CD — цементит. В точке С при 1147° С и концентрации углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом.

   Сплавы, содержащие до 2,14% С, кристаллизуются  в интервале температур, ограниченном линией АС и АE. После затвердевания (ниже линии солидус АE) сплавы получают однофазную  структуру — аустенит.

   При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1147° С (линия ЕС) сплавы затвердевают с образованием эвтектики — ледебурита. Следовательно, доэвтектические сплавы после затвердевания и при температурах выше 727° С  имеют структуру  аустенит + ледебурит  (А + Fe₃C).

   Заэвтектические сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67% С, начинают затвердевать по достижении температур, соответствующих линии CD. Первоначально из жидкой фазы выделяются кристаллы цементита, а по достижении 1147° С (линия ECF) сплавы окончательно затвердевают с образованием эвтектики — ледебурита.

  После затвердевания  структура сплава состоит из кристаллов цементита + ледебурит. Цементит, образующийся из жидкой фазы, называют первичным  цементитом.

   Сплавы  железа с углеродом, содержащие до 2,14% С, называют сталью; сплавы, содержащие более 2,14% С, – чугуном.

   Рассмотрим  теперь превращения, протекающие в  твердом состоянии. Эти превращения связаны с переходом при охлаждении γ - железа в α - железо и распадом аустенита.

   Линия GS на диаграмме при охлаждении соответствует температурам начала превращения γ α. Ниже линии GS из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обозначать Аr₃ при охлаждении и Аc₃ при нагреве (конец растворения феррита).

   Линия ES показывает изменение растворимости углерода в аустените с изменением температуры и при охлаждении соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита.

   Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующегося из жидкой фазы, называют вторичным. Критические точки, образующие линию ES, обозначают Асm.

   Точка S при 727° С и концентрации углерода 0,8% показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита при охлаждении.

   По  достижении 727° С происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси, которую называют перлитом. Эвтектоид — перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Таким образом, перлит содержит 0,8% С, образуется при 727° С и представляет собой механическую смесь двух фаз — феррита и цементита. Температуру фазового равновесия (727° С, линия PSK) аустенит перлит (феррит + цементит) обозначают Аr₁ (при охлаждении) и Ас₁ (при нагреве).

   Точка Р характеризует предельную растворимость углерода в α - железе при эвтектоидной температуре 727° С; она составляет 0,020% С.

  Линия PQ показывает изменение растворимости углерода в α - железе в зависимости от температуры и соответствует при охлаждении началу выделения из феррита избыточного цементита. Следовательно, сплавы левее точки Q состоят только из феррита, а сплавы, концентрация которых находится в пределах от Q до Р имеют двухфазную структуру; феррит и избыточный цементит, выделяющийся из твердого раствора при понижении температуры. Цементит, выделяющийся из феррита, называют третичным цементитом.

   Сплавы, содержащие не более 0,020% С, называют техническим железом.

   Сплавы, имеющие концентрацию углерода до 0,8% (точка S), называют доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррита, выделяющегося из аустенита в области температур Аr₃ и Аr₁ и перлита, образующегося из аустенита по достижении температуры Аr₁ (727° С, линия PSK).

   Сталь с 0,8% С называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только эвтектоид — перлит.

   Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С (точка Е), называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, выделившегося из аустенита при температурах ниже линии ES, и перлита, образовавшегося в результате распада аустенита по достижении эвтектоидной температуры (727° С, линия PSK).

   В доэвтектических  чугунах при понижении температуры  вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените, указываемого линией SE, происходит частичный распад аустенита: первичных кристаллов, выделившихся из жидкости, и аустенита, входящего в ледебурит. Этот распад заключается в выделении кристаллов вторичного цементита и в уменьшении содержания углерода в аустените.

   По  достижении температуры, соответствующей  линии PSK (727° С), аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% С), превращается в перлит. Доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.

   Эвтектический чугун (4,3% С) при температурах ниже 727 °С состоит только из ледебурита.

   Эвтектический чугун (4,3% С) кристаллизуется при 1147 °С (площадка на кривой охлаждения). После затвердевания чугун состоит только из ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит, а  при 727° С  происходит эвтектоидный распад аустенита, содержащего 0,8% С, с образованием перлита.

   Следовательно, при температуре выше 727° С  ледебурит состоит из аустенита и цементита, а ниже 727° С – из перлита и цементита.

   Ледебурит представляет собой колонии цементита пластинчатой формы и мелкие (иногда разветвленные) включения перлита, образовавшегося в участках залегания аустенита.

    Рассмотрим  превращения, протекающие в заэвтектоидных сталях. Сталь с 1,6% С начинает затвердевать при температуре t₁. На кривой охлаждения при этой температуре наблюдается перелом, вызываемый выделением из жидкости кристаллов аустенита (С = 2 + 1— 2 = 1). При t₂ сплав затвердевает и до температуры t₃ (критическая точка Асm) состоит только из кристаллов  аустенита.

По достижении точки t₃ (линии Асm) аустенит оказывается насыщенным углеродом и при дальнейшем понижении температуры распадается с выделением вторичного цементита. Поэтому ниже Асm (т. е. ниже линии ES) сплав становится двухфазным (аустенит + вторичный цементит). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается (линия ES). При снижении температуры до Ar₁ (727 ˚С) аустенит, содержащий 0,8% С (точка S), распадается с образованием перлита.

   Эти же превращения претерпевают все заэвтектоидные стали; после охлаждения они состоят  из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки  по границам бывшего зерна аустенита  или в виде игл. При комнатной температуре сплав состоит из перлита и вторичного цементита и называется заэвтектоидной сталью. 

Рассмотрим соотношение  фаз при температуре 1350˚С: 

количество жидкой фазы

= 30,3%

содержание углерода – 2,75%

количество твердой фазы

содержание углерода – 1,1%