Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Область сталей

Стали и чугуны являются сплавами железа с углеродом. В сталях содержание углерода не превышает 2,14 %, в чугунах его доля составляет 2,14...6,67 %. В этих сплавах фазовые превращения протекают в соответствии с диаграммой фазового равновесия железо — цементит (Fe—Fе3С). Существует два вида такой диаграммы: стабильная, в которой углерод присутствует в виде графита, и метастабильная, в которой углерод присутствует в виде химического соединения — карбида железа Fe3C, называемого цементитом.

В большинстве случаев фазовые превращения рассматриваются применительно к части метастабильной диаграммы (до 6,67 % С). На рис. 13.1 показан фазовый состав сплавов железа с углеродом с концентрацией от чистого железа до первого промежуточного соединения — цементита, содержащего 6,67 % С.

Железо — металл с температурой плавления 1539 °С. Железо полиморфно: оно имеет три модификации — а, у, b. Высокотемпературная модификация b-Fe (ОЦК-решетка) существует от температуры 1392 °C до температуры плавления. Она не участвует в твердофазных превращениях железо-углеродистых сплавов. Модификация a-Fe (или Fea) также с ОЦК-решеткой встречается при температурах до 911 °С. Железо этой модификации ферромагнитно при температурах до 768 °C и парамагнитно при более высокой температуре. Железо и модификации y-Fe (Fey) с ГЦК-решеткой также парамагнитно в диапазоне значений температур 911...1392 °C.

Углерод — металлоид, который в сталях и чугунах присутствует либо в твердых растворах внедрения, либо в виде химического соединения Fе3С. В системе Fe—Fе3С в твердом состоянии, т. е. ниже линии AHJECF, присутствуют три фазы: твердые растворы — феррит (Ф) и аустенит (А), а также цементит (Ц).

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Различают низкотемпературный а-феррит (Фа) с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 5-феррит (Фb) с предельной растворимостью углерода 0,1 %. В дальнейшем будем рассматривать только а-феррит, обозначаемый просто «феррит» (Ф). Протяженность ферритной области (GPQ, см. рис. 13.1) на диаграмме Fe—Fe3C по концентрации незначительна: содержание углерода в феррите при комнатной температуре составляет всего 0,006 %. Феррит подобен технически чистому железу; эта мягкая, пластичная фаза обладает следующими характеристиками: oв = 250...300 МПа; b = 45...50 %; 80...90 HB.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Нижняя часть аустенитной области ограничена кривой GSE. Фазовая область аустенита существенно больше ферритной и по концентрации, и по температуре. Предельная растворимость углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147 °С).

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (при 6,67 % С) Fe3C (карбид железа). Данное соединение имеет сложную ромбическую решетку, температура плавления составляет 1250 °С. Цементит — соединение с ковалентно-металлической связью, отличается высокой твердостью (800 HB) и почти нулевой пластичностью, т. е. является хрупким. Влияние цементита на свойства железоуглеродистых сплавов зависит от количества его в структуре и от формы его частиц. В общем случае чем больше цементита содержится в сплаве, тем выше твердость последнего.

При охлаждении сплавов системы Fe—Fe3C цементит подразделяют на первичный, вторичный и третичный (см. рис. 13.1).

Первичный цементит образуется из жидкой фазы ниже линии DC по реакции



Вторичный цементит выделяется из аустенита (ниже линии ES, характеризующей переменную растворимость углерода в аустените) по реакции распада твердого раствора



Третичный цементит выделяется из феррита (ниже линии QP, характеризующей переменную растворимость углерода в феррите) по реакции распада твердого раствора



В точке P отмечают предельную концентрацию углерода (0,02 %) при температуре 727 °С. Точка Q соответствует растворимости углерода при комнатной температуре (0,006 %). Сплавы, содержащие менее 0,02 % С (левее точки P), называют техническим железом.

На диаграмме Fe — Fe3C в области сталей показаны однофазные области GPQ — феррит и NJESG — аустенит, а также несколько двухфазных: ESKF — аустенит + цементит; GPS — феррит + аустенит; ниже линии PSK — феррит + цементит.