Диаграмма состояния сплавов железо—углерод и их структурные превращения под воздействием температуры

Структура и свойства важнейших для техники сплавов железа и углерода, к которым относятся стали и чугуны, определяются в основном свойствами этих компонентов. На свойства стали и чугуна оказывают также влияние всегда присутствующие в них кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы — кислород, азот, водород и др. Однако условно сплавы Fe—С относят к двухкомпонентным, так как наличие указанных примесей не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния Fe—С. Эта диаграмма, являющаяся сложным сочетанием диаграмм I, III, IV типов, дает возможность видеть все изменения строения сплавов в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов, которые образуют разные структуры. В твердом состоянии железо существует в двух аллотропных формах — а и у. Обе модификации железа растворяют углерод, образуя твердые растворы внедрения. Углерод в сплавах с железом присутствует либо в виде графита, либо в качестве химического соединения Fe3C (данный карбид железа в сплавах носит название «цементит»). В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образовываться, что зависит от содержания примесей (Si, Мп и др.), а также от скорости охлаждения слитков или отливок. Тогда углерод выделяется в сплавах в виде графита. Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие разным комбинациям в сплаве железа с углеродом от 0 до 6,67 %. При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), имеющее сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

При определенных условиях цементит может распадаться на феррит и свободный углерод (графит).

Перлит — механическая смесь феррита и цементиту, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эв-тектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

По механическим свойствам перлит занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. При травлении шлифов сталей и чугунов с большим содержанием перлита в структуре их поверхность имеет вид перламутра, что и явилось основанием для его названия.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.

Диаграмма состояния сплавов Fe —С в диапазоне концентраций от чистого железа до цементита представлена на рис. По вертикальной оси диаграммы отложены значения температуры, а по горизонтали — процентное содержание углерода в сплавах. Обычно указываются две шкалы: одна — доля углерода от 0 до 6,67 %, где 6,67 — наибольшее содержание углерода, соответствующее его содержанию в цементите (Fe3C), а другая — содержание Fe3C в сплаве (от 0 до 100 %).

Все сплавы на диаграмме в зависимости от содержания углерода подразделяют на две группы: сплавы с 0... 2,14 % С образуют класс ковких железоуглеродистых сплавов — стали, а сплавы с 2,14... 6,67 % С имеют более хрупкую структуру и образуют группу чугунов. Сплавы с еще большим содержанием углерода (выше 6,67 %) практического применения не находят из-за высокой хрупкости и малой прочности.

Рис. Упрощенная диаграмма состояния сплавов железо—углерод (цементит): ACD — линия ликвидуса; AECF — линия солидуса; GSEи PSK — линии перехода a-железа в у-железо при нагреве; QPG — область однофазной ферритной структуры

Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539 °С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.

Рассматривая эти превращения, можно выделить два их типа: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидуса ACD. При этом сплавы, содержащие 0...4,3% С, начинают затвердевать по линии АС с выделением зерен аустенита, а сплавы с содержанием углерода выше 4,3 % затвердевают по линии CD, выделяя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуется эвтектическая смесь — ледебурит, который присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.

Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидуса AECF. При температурах, соответствующих линии АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % полностью затвердевают со структурой аустенита. По линии солидуса ЕС заканчивается затвердевание сплавов, содержащих 2,14...4,3 % углерода. В точке С при температуре 1147°С и 4,3% С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита в виде тонкой механической смеси — ледебурита. Но поскольку при более высоких температурах из жидкого сплава шло выделение аустенита, в этих сплавах после затвердевания сформируется структура аустенит + ледебурит + Fe3C вторичный. По линии солидуса CF сплавы с содержанием углерода 4,3 ...6,67% затвердевают также с образованием ледебурита, но выделившийся при более высоких температурах цементит создает окончательную структуру первичный цементит + ледебурит.

Дальнейшие изменения структуры сплавов происходят при понижении температуры в твердом состоянии, т.е. при вторичной кристаллизации.

Вторичная кристаллизация в сплаве железо—углерод связана с аллотропным превращением у-железа в a-железо и характеризуется линиями диаграммы GSEF и PSK.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит, поэтому в области GSP будет структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются либо Ас3 при нагреве, либо Аг3 при охлаждении.

Линия SE показывает снижение растворимости углерода в железе с понижением температуры. Критические точки на этой линии обозначают Аст. Если в точке Е при температуре 1147 °С растворимость углерода максимальная и достигает 2,14 %, то в точке Sпри 727 °С растворимость углерода составляет всего 0,8 %. Следовательно, во всех сталях в интервале концентраций углерода 0,8...2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод, который, соединяясь с железом, образует цементит, называемый вторичным, а сталь имеет структуру аустенит + цементит вторичный.

Точка S является концом равновесного существования аустенита и называется эвтектоидной точкой. Она делит все стали на две типичные группы: левее точки S находятся доэвтектоидные стали со структурой феррит + перлит, правее — заэвтектоидные со структурой цементит вторичный + перлит. В точке S сталь содержит 0,8 % углерода, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной.

При охлаждении аустенита с низким содержанием углерода в результате его превращения в феррит в области QPG образуется однофазная ферритная структура.

Для всех сплавов железо—углерод распад аустенита заканчивается по линии PSK (727 °С). Критические точки, лежащие на этой линии, обозначаются при нагреве и при охлаждении.

При температурах выше линии PSK чугуны с содержанием углерода 2,14... 4,3 % состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита, а при температурах ниже линии PSK аустенит переходит в перлит, и структура чугунов будет содержать перлит + цементит вторичный + ледебурит. Чугуны с указанным содержанием углерода образуют группу доэвтектических чугунов.

Чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим. В заэвтектических чугунах с содержанием 4,3...6,67 % С при температурах выше линии PSK образуется структура, содержащая ледебурит и первичный цементит. При температурах ниже линии PSK эта структура сохраняется.

Рис. Микроструктура стали (а—в) и белого чугуна (г—е): а — доэвтектоидная сталь — феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), х500; б — эвтектоидная сталь — перлит, х1000; в — заэвтектоидная сталь — перлит и цементит в виде сетки, х2000; г — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), х500; д — эвтектический чугун — ледебурит (смесь аустенита и цементита), х 500; е — заэвтектический чугун — цементит (светлые пластины) и ледебурит, х500

Итак, рассматривая превращения в железоуглеродистых сплавах по диаграмме состояния, можно отметить следующие особенности:

• точки С и S являются характерными точками структурных превращений. Выше точки С находится жидкий раствор, а выше точки S — твердый раствор (аустенит);

• в точке С сходятся линии ликвидуса АС и CD, указывающие соответственно на начало выделения кристаллов аустенита и первичного цементита из жидкого раствора (процесс первичной кристаллизации); в этой точке образуется эвтектическая механическая смесь — ледебурит;

• в точке S сходятся ветви линии солидуса GS и ES, указывающие на начало выделения кристаллов феррита и вторичного цементита из твердого раствора (процесс вторичной кристаллизации) и образование эвтектоидной механической смеси — перлита.

Повышение содержания углерода в доэвтектоидной стали (увеличивается количество цементита) вызывает повышение ее твердости и прочности и в то же время снижение пластичности и вязкости.

В заэвтектоидных сталях увеличение содержания углерода (за счет увеличения количества вторичного цементита) ведет к дальнейшему повышению твердости, но пластичность и вязкость снижаются в еще большей степени.

Обычные компоненты стали — кремний и марганец (допустимое содержание в обычной углеродистой стали соответственно до 0,4 и 0,8 %) — играют положительную роль, являясь раскислите-лями. Будучи растворенными в феррите, они упрочняют его.

Фосфор, сера и кислород являются вредными примесями. Так, фосфор вызывает хладноломкость стали, т. е. повышает ее хрупкость при низких температурах, а сера — красноломкость, т.е. увеличивает склонность стали к образованию трещин при высоких температурах; кислород уменьшает вязкость стали. Предельным является содержание фосфора — 0,08 %, серы — 0,05 %.

Рассмотрим превращения структуры стали под воздействием температуры. Все описанные ранее структуры стали — ферритно-перлитная, перлитная и перлитно-цементитная — обратимы. Так, при нагреве доэвтектоидных сталей до температуры выше 727 °С (линия критических точек) перлит превращается в аустенит. При дальнейшем нагреве феррит растворяется в аустените и заканчивается процесс превращения по линии GS (критические точки). У эвтектоидной стали (0,8 % С) перлит превращается в аустенит в точке S. При нагреве заэвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 °С (линия критических точек), и при дальнейшем нагреве происходит растворение цементита (вторичного) в аустените, которое заканчивается по линии SE (критические точки).

Таким образом, при нагреве стали до температур выше точки S и линий критических точек ее структура представляет собой аустенит. Однако вновь образующийся аустенит оказывается неоднородным, так как содержание углерода будет большим в тех местах, где находятся пластинки цементита. Для получения однородного аустенита необходимо не только нагреть сталь до температуры на 30...50°С выше критических точек, но и выдержать ее при этой температуре некоторое время для завершении диффузионных процессов.

По окончании превращения величина степени перегрева или выдержка способствуют росту аустенитного зерна. Данный процесс происходит самопроизвольно и с повышением температуры ускоряется. Увеличение размеров аустенитного зерна зависит от склонности стали к росту ее зерна. По этому признаку различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые. Первые характеризуются большей склонностью к росту зерна, чем вторые.

Изменение размеров зерна при нагревании таких сталей показано на рис. Общим для обеих сталей является резкое уменьшение исходного зерна при переходе процесса их нагрева через критическую точку. При дальнейшем нагреве зерно аустенита наследственно крупнозернистой стали начинает интенсивно расти, а в мелкозернистой стали оно не растет до температуры 950... 1000 °С. Лишь по достижении указанной температуры создаются необходимые условия и начинается быстрый рост зерен аустенита.

Рис. Схема роста зерна аустенита для разных сталей (а) и влияния превращений на размер зерна (б): 1 — наследственно крупнозернистая сталь; 2 — наследственно мелкозернистая сталь; Ас, — линия критических точек при нагреве сплава

Рис. Стандартная шкала для определения размера зерна: 1—10 — номера размеров зерен при 100-кратном увеличении

Размеры зерен перлита при обратном превращении определяются величинами зерен аустенита, из которых они образуются. Чем крупнее зерна аустенита, тем большего размера получаются перлитные зерна при охлаждении. Следовательно, требуемый размер зерна стали можно получить, нагревая ее до определенных температур. Размер зерна после термической обработки оказывает большое влияние на механические свойства стали. Его сравнивают с эталонными размерами зерен, предусмотренными стандартной шкалой размеров.

Крупнозернистые стали хорошо обрабатываются режущим инструментом, могут подвергаться закалке, но при этом склонны к закалочным деформациям и к образованию трещин. Мелкозернистые стали могут нагреваться до высокой температуры без опасности роста зерна, обладают большой ударной вязкостью, но худшей, чем крупнозернистые стали, прокаливаемостью. Вследствие этого они применяются для изготовления деталей с мягкой сердцевиной и твердой поверхностью.

На структуру стали и ее свойства оказывает влияние не только нагрев, но и режим охлаждения, от которого зависит характер структуры, образующейся в результате превращения аустенита. При медленном непрерывном охлаждении аустенит превращается в равновесные, т. е. устойчивые при нормальных температурах и нагреве до температур ниже критических, структуры — перлит, феррит и цементит. При быстром охлаждении будет иметь место переохлаждение аустенита и образуются новые неравновесные мелкозернистые ферритно-цементитные структуры — сорбит, троостит и бейнит, которые различаются между собой механическими свойствами и прежде всего твердостью вследствие наличия в структуре разных по размерам и форме пластинок феррита и цементита. Твердость этих структур возрастает по мере снижения температуры их образования.

Рис. Диаграмма изотермического превращения эвтектоидной стали: А — аустенит; П — перлит; С — сорбит; Т — троостит; Б — бейнит; М — мартенсит; I — начало распада аустенита; II — окончание распада аустенита; ab — участок образования перлита

В производственных условиях при термической обработке распад аустенита происходит либо при непрерывном охлаждении, либо при постоянной температуре (изотермически).

Изотермическое превращение эвтектоидной стали наглядно показано на рис. 1.16. Образцы стали нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

При температуре 700 °С участок ab соответствует образованию перлита. На участке при температуре 650 °С образуется сорбит, на участке при температуре 500 °С аустенит превращается в троостит, а при температуре охлаждения до 500... 250 °С образуется бейнит.

Сорбит представляет собой более мелкую, чем перлит, механическую смесь феррита с цементитом и имеет твердость НВ 2500...3000 МПа, а также более высокие прочность и упругость при достаточной вязкости.

У троостита смесь феррита с цементитом мельче, чем у сорбита, и его твердость равна 3500... 4000 МПа. Троостит по сравнению с сорбитом обладает и более высокими упругими свойствами, но меньшей вязкостью.

У бейнита игольчатая структура состоит из несколько перенасыщенного твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение, и частиц цементита. Поэтому твердость бейнита выше, чем троостита.

Если сильно переохладить аустенит, то произойдет бездиффу-зионное превращение у-железа в a-железо, в результате которого образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железе — структура, называемая мартенситом. Данная структура состоит из игл разных размеров. Мартенсит имеет самую высокую из структурных составляющих сплавов железа твердость, хорошее сопротивление износу, но низкие эластичность и вязкость, большие внутренние напряжения. Он является основной закалочной структурой.

Рис. Микроструктура мартенсита, х1000: а, б — возможные варианты размеров игл мартенсита

При непрерывном охлаждении необходимую структуру стали, а следовательно, и ее механические свойства получают, изменяя скорость охлаждения .

При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит.

Рис. Кривые охлаждения стали на диаграмме изотермического распада аустенита