Диаграмма состояния системы железо – углерод

В системе железо - углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твердых растворов на базе α – Fе (феррита) и на базе γ – Fе (аустенита), химического соединения Fе₃С (цементита) и графита.

Феррит (Ф), являющийся твердым раствором внедрения углерода в α – железе, обозначается Fe_α. При 727°С наблюдается максимальная растворимость углерода в феррите, составляющая 0,02 %; при 20°С в феррите растворяется около 0,006% С. Свойства феррита близки к свойствам чистого железа.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, обозначается Fе_γ. При 1147°С аустенит может cодержать до 2,14% С, при 727°С - 0,8% С.

Цементит (Ц) - карбид железа Fе₃С, в котором содержится 6,67% С. Температура плавления цементита 1252 °С. Обладает высокой твердостью (около 800 НВ), легко царапает стекло. Цементит очень хрупок, имеет почти нулевую пластичность, сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. При нагреве цементит распадается.

Диаграмма состояния железо - цементит приведена в приложении на рис. 5.5. Линия АВСD - линия ликвидус, линия АНJЕСF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536°С), точка В - температуре плавления цементита (1252°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

В системе Fе - Fе₃С на разных ярусах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ЕСF при 1147°С происходит эвтектическое превращение: Ж_с → А_в + Ц_F. Образующаяся звтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода.

По линии РSК при 727°С происходит эвтектоидное прев-ращение: А_s → Ф_p + Ц_k, в результате которого из аустенита, со-держащего 0,8 % С, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации звтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Пер-лит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 727° С также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже 727° С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

На свойства сплавов оказывает большое влияние различие в размерах и расположении выделений цементита.

Первичный цементит (Ц₁) выделяется при высоких температурах непосредственно из жидкой фазы. Его кристаллы - крупные, т. е. Ц₁ дает наиболее грубые выделения. Цементит вторичный (Ц₁₁) выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии. Поэтому Ц₁₁ образуется в виде сетки по границам зерен. Цементит третичный (Ц ₁₁₁) выделяется из феррита при сравнительно низких температурах. Ц₁₁₁ выделяется обычно внутри зерен в виде дисперсных включений. Эти включения увеличивают прочность феррита.

Сплавы системы Fe – Fe₃C по структурному признаку делят на две группы: углеродистые стали и белые чугуны.

Углеродистые стали содержат до 2,14% С и заканчивают кристаллизацию образованием аустенита. Белые чугуны содержат более 2,14% С и заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики – ледебурита.

По структуре углеродистые стали бывают доэвтектоидные (Ф + П), эвтектоидные (П) и заэвтектоидные (П + Ц). Белые чугугуны также делятся на доэвтектические (А + Л), эвтектические (Л) и заэвтектические (Л + Ц).