производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 4.1. Диаграмма состояния системы железо — цементит

Общие сведения. Железо — мягкий металл серебристо-белого цвета. Чистое железо содержит 99,99 % Fe, технические сорта железа — 99,80...99,91 % Fe. Температура плавления железа 1539°С. До температуры 768°С — точки Кюри (А2) — железо обладает магнитными свойствами, а при этой температуре их теряет. Железо имеет две аллотропические модификации: Feα с ОЦК решеткой и Feγ с ГЦК решеткой (рис. 4.1). α-железо существует при температурах ниже 911°С и выше 1401°С. В интервале температур 911... 1401°С существует γ-железо. Чистое железо не имеет широкого промышленного применения. В технике применяют ставы железа с углеродом, структура которых описывается диаграммой состояния железо — углерод.

Рис. 4.1. Критические точки железа:

Аc3, Ar3 — полиморфное превращение феррита в аустенит при нагреве и охлаждении соответственно; Аc4, Ar4 — переход аустенита в 8-феррит при нагреве и охлаждении соответственно

При содержании углерода 6,67% образуется химическое соединение со стехиометрической формулой Fe3C. Это карбид железа, получивший название цементит, он обладает высокой твердостью до 850 HV. Как уже было описано в гл. 2, диаграммы состояния с компонентами, образующими химическое соединение, часто рассматриваются в пределах системы компонент — химическое соединение, где химическое соединение играет роль компонента (см. рис. 2.26). Именно до момента получения химического соединения — цементита — и построена диаграмма (рис. 4.2), поэтому ее часто называют диаграмма состояния системы железо — цементит (Fe —Fe3C). Рассмотрение диаграммы в таких пределах оправдано тем, что в промышленности нашли широкое применение сплавы с содержанием углерода, не превышающим указанное значение. Эта диаграмма имеет исключительно важное значение для теории и практики термической обработки. Напомним, что она описывает структуру сплавов, находящихся в равновесном состоянии, т. е. полученную только в результате медленного охлаждения или нагрева.

Диаграмма состояния системы Fe — Fe3C. Компонентами системы (см. рис. 4.2) являются:

  • железо; температура плавления 1 539°С (точка А диаграммы), температура полиморфного превращения 911 °С (точка G);
  • цементит; температура плавления 1560 °С (точка D диаграммы).

Помимо химического соединения цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси (см. гл. 2), которые являются фазовыми и структурными составляющими.

Твердые растворы. Феррит (Ф) — твердый раствор углерода в α-железе, обозначается Feα(C). Растворимость углерода в феррите весьма низкая — около 0,006 % при 20 °С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения 0,02 % при 727 °С (точка Р диаграммы). Кристаллическая решетка феррита — ОЦК. Феррит — твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки a-железа. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80... 100 НВ.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе, обозначается Feγ(C). Аустенит существует только при высоких температурах — 727°С и выше. Растворимость углерода в аустените высокая — 0,8 % при минимальной температуре его существования 727°С (точка S диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (так же, как в феррите) и достигает максимального значения 2,14% при температуре 1147°С (точка E диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита — ГЦК. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен, его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности (см. гл. 2). Твердость аустенита около 200 НВ.

Рис. 4.2. Диаграмма состояния сплава железо — цементит

Цементит, феррит и аустенит являются однофазными структурными составляющими.

Смеси. При температуре 1147 °С в сплавах с содержанием углерода 2,14% и более из жидкого состояния образуется эвтектика (см. гл. 2). Эвтектическое превращение происходит при постоянной температуре. Напомним, при эвтектическом превращении одновременно существуют три фазы: жидкая и две твердые, т. е. число степеней свободы С = 0.

Эвтектика в системе Fe — Fe3C называется ледебуритом (Л), который представляет собой смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3 % С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой Ж4,3  Л[А2,14 + Ц6,67]. Цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения: его содержание в аустените, равное 2,14%, соответствует точке Е диаграммы; содержание углерода в цементите 6,67 % — точке F. Конода при температуре 1147°С совпадает с линией диаграммы ECF. Ледебурит имеет высокую твердость (550 HV), очень хрупок.

При температуре 727 °С в сплавах с содержанием углерода 0,02 % и более аустенит превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Таким образом, в превращении одновременно участвуют три фазы, т.е. оно происходит при постоянной температуре. Такое превращение из твердого раствора получило название эвтектоидного в отличие от эвтектического, где исходная фаза — жидкость. Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид.

В системе Fe — Fe3C эвтектоид называется перлитом (П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой: A 0,8  П[Ф0,02 + Ц6,67]. Содержание углерода в феррите соответствует точке Р, в цементите — точке К диаграммы.

Рассмотрим те превращения в системе Fe — Fe3C, которые определяют структуры сплавов после окончательного охлаждения, т.е. при комнатной температуре.

Превращения, происходящие на горизонтальных линиях ECF и PSK, рассмотрены ранее — это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов, содержащих более 2,14% С (лежащих правее точки Е), будет присутствовать ледебурит; сплавов, содержащих более 0,02 % С (лежащих правее точки Р), — перлит.

Важное значение имеют наклонные линии диаграммы: DC, ES, PQ. Все они показывают предельную растворимость углерода соответственно в жидкости, аустените и феррите.

Это означает, что во время охлаждения сплавов с содержанием углерода более 4,3 % при достижении температуры, соответствующей линии DC, будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе. Этот цементит называется первичным (Ц1). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.

При охлаждении сплавов, лежащих правее линии ES, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры из него будет выделяться цементит, называемый вторичным (Цп)- По аналогии цементит, выделяющийся из феррита (линия PQ), называется третичным (Ц1П).

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.