Краткие теоретические сведения. Компонентами системы железо-углерод (рис

Компонентами системы железо-углерод (рис. 7.1) являются железо (Fе) и углерод (С). Железо и углерод образуют следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит и смесь фаз: перлит и ледебурит. Углерод при определенных условиях может выделяться в виде отдельной фазы: графит. Сплав железа с массовой долей углерода до 2,14% (рис. 1) называют сталью. Равновесным состоянием называется такое состояние, при котором все фазовые превращения, присущие сплаву, полностью завершились, и сплав получил минимум свободной энергии. Равновесное состояние наступает при очень медленном охлаждении.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fе-С

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fе (железо имеет ГЦК решетку). Растворимость углерода в ГЦК решетке железа зависит от темпера­туры и составляет при 727°С – 0,8, а при 1147°С – 2,14%. Аустенит имеет низкую твердость, которая зависит от температуры и содержания углерода, и высокую пластичность (δ = 50 %).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-Fе (же­лезо имеет ОЦК решетку). Феррит имеет низкую твердость (НВ 80...90) и высокую пластич­ность (δ = 50%). При просмотре в микроскоп ферритные зерна выгля­дят светлыми, разделенными темной сеткой границ зерен (рис. 2а).

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный a-феррит и высокотемпературный d-феррит. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном a-феррите, имеющем объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК-решетку), равна 0,02% при 727°С (точка Р на диаграмме Fe-C) (рис. 1). При понижении температуры растворимость углерода в феррите уменьшается и при 20°С равна 0,006% (точка Q).

Феррит мягок (твердость по Бринеллю 70-80 ед.), обладает большим относительным удлинением (до 40%). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых однородных зерен.

Высокотемпературный d-феррит – твердый раствор внедрения углерода в d-железе, имеет ОЦК-решетку. Максимальная растворимость углерода в высокотемпературном d-феррите равна 0,004% при 1492°С (точка Н).

Цементит (Ц) – химическое соединение углерода с железом Fе₃С (карбид железа). Концентрация углерода в цементите всегда посто­янна и составляет 6,67%. Цементит обладает высокой твердостью (НВ 809) и низкой пластичностью (хрупкостью). Он плохо травится в химических реактивах и при просмотре в микроскоп наблюдается в виде светлых включений. Цементит является метастабильной фазой, т. е. при нагревании до высокой температуры он становиться нестабильным и распадается на стабильные фазы аустенит и графит.

На диаграмме Fе-С (рис. 1) различают три вида цементита:

Первичный цементит (Ц_I) – кристаллизуется из жидкости (в чугунах) при температу­ре, соответствующей линии СD. Под микроскопом наблюдается в ви­де светлых пластин.

Вторичный цементит (Ц_II) – образуется при выделении углерода из аустенита при понижении температуры от 1147 до 727°С (линия ЕS). Под микроскопом в сталях с содержанием более 0,8% С цементит вто­ричный наблюдается в виде сетки по границам зерен.

Третичный цементит (Ц_III) – образуется при выделении углерода из фер­рита при температурах ниже 727 °С. Наблюдается в сплавах с содержанием углерода 0,006…0,02% в виде отдельных островков по границам зерен феррита.

В «стальной» области системе железо-углерод имеются двухфазная структурная составляющая - перлит.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цемен­тита, получающаяся в результате распада аустенита, содержащего 0,8% С, при постоянной температуре на линии эвтектоидного превращения РSК по реакции Аs ® Фр + Цк и находится при этой температуре в равновесии с аустенитом состава точки S. Фер­рит и цементит располагаются в виде чередующихся пластинок. Твердость перлита составляет НВ 210, пластичность δ = 15%. Травле­ный перлит под микроскопом выглядит более темным по сравнению с ферритом. При больших увеличениях можно наблюдать перлит в виде че­редующихся темных (цементит) и светлых (феррит) пластинок (рис. 2 г).

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии характеризуется нижней левой частью диаг­раммы состояния Fе-С (рис. 7.1). Сплавы с содержанием до 0,02% С называются техническим же­лезом, от 0,02 до 0,8% С – доэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью; с содержанием от 0,8 до 2,14% С – заэвтектоидными сталями.

Микроструктура технического железа. Растворимость углерода в α-Fе зависит от температуры и изменяется согласно линии PQ (рис. 1). С понижением температуры растворимость углерода уменьшается от 0,02% С (при 727°С ) до 0,006% С (при 20°С). Сплавы железа с со­держанием углерода менее 0,006% имеют структуру феррита (рис. 2а). В сплавах с содержанием от 0,006% С до 0,02% С, в связи с понижением растворимости углерода в α-Fe, при понижении температуры из ферри­та по границам зерен феррита выделяется третичный цементит (Ц_III) (рис. 2б).

а) х500	б) х300
в) х200	г) х2000
	Рисунок 2 – Микроструктура Fe-С сплавов: а, б – техническое железо (Ф (а) и Ф+ЦIII (б)), в – доэвтектоидная сталь (Ф+П), г – эвтектоидная сталь (П), д – заэвтектоидная сталь (П+ ЦII)
д) х500

Микроструктура доэвтектоидной стали (от 0,02 до 0,8% С) состоит из феррита и перлита. После травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (рис. 2в). Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода коли­чество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается (см. атлас микроструктур).

Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из перлита (рис. 2г). В зависимости от скорости охлаждения плас­тины цементита в перлите могут быть длиннее или короче, толще или тоньше (см. атлас микроструктур).

Микроструктура заэвтектоидной стали (от 0,8 до 2,14% С) состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 2д). Вторичный цементит (Ц_II) выделяется из аустенита при охлаждении от температуры Асm (линия SЕ) до температуры Аc₁ (линия РSК) (рис. 1). При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в ви­де сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аc₁ аустенит превращается в перлит. Образуется структура, состоящая из зерен пластинчатого перлита и вторич­ного цементита в виде сетки по границам перлитных зерен. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка (см. атлас микроструктур).

Рассмотрим процессы формирования равновесных структур сталей на примере сплавов 1-5 (рис 3). В результате первичной кристаллизации стали, независимо от содержания углерода, формируется однородная структура аустенит. При дальнейшем охлаждении сплавов (ниже линий GS и SЕ) (рис. 3) происходят процессы перекристаллизации.

Рисунок 3 – Часть диаграммы состояния сплавов Fе-С, описывающая перекристаллизацию стали

Сплавы 1 и 2. Ниже линии GS начинается процесс полиморфного превращения аустенита в феррит. В процессе по­лиморфного превращения содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, а в феррите – по линии GР. При температурах, соответствующих линии GP, полиморфное превращение заканчивается, и структура сплавов 1 и 2 состоит из зерен феррита. При дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной температуры в сплаве 1 никаких структурных превращений не происходит. В сплаве 2 при температурах ниже линии РQ, вследствие пересыщения феррита углеродом, на поверх­ности зерен феррита образуется третичный цементит. Объемная доля третичного цементита вычисляется по формуле:

Q = (Qt₄/QL)100% (1)

Структура сплава 1 изображена на рис. 2а, сплава 2 – на рис. 2б.

Сплав 3. Сплав 3 представляет собой пример доэвтектоидной стали. Ниже линии GS начинается полиморфное превращение аустенита в феррит. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, то есть при температуре сплава t содержание углерода в феррите и в аустените определяется соответственно точками m и n, а объемная доля феррита и аустенита вычисляется по формулам:

Q_Ф = (tn/mn)100%, (2)

Q_A = (mt/mn)100%, (3)

При охлаждении до температуры 727°С (линия РSК) объемная доля выделившегося феррита состава точки Р определяется по формуле:

Q_Ф = (t₂S/PS)100%, (4)

а объемная доля оставшегося аустенита по формуле:

Q_A = (Pt₂/PS)100%, (5)

Аустенит имеет эвтектоидный состав, соответствующий точке S. Поэтому при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Если пренебречь количеством углерода, содержащемся в феррите, ввиду его малости по сравнению с содержанием в перлите, то содержание углерода в доэвтектоидной стали приближенно можно определить по формуле:

С, % = 0,008П, (6)

где П, % – площадь, занимаемая перлитом в структуре стали.

Например, 30% площади шлифа занято ферритом, 70% перлитом. Тогда содержание углерода в стали будет равно 0,56%. Пример структуры доэвтектоидной стали изображен на рис. 7.2 в.

Сплав 4 является примером эвтектоидной стали. Из диаграммы Fе-С (рис. 3) видно, что при температурах выше точки S сплав состоит из аустенита, а ниже точки S из феррита состава точки Р и цементита состава точки К. Это значит, что при температуре 727°С (точка S) происходит распад аустенита по реакции А_S ® Ф_P + Ц_K. Образующаяся смесь феррита и цементита, как уже отмечалось, называется перлитом, а превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным или перлитным превращением. После окончания перлитного превращения сплав будет охлаждаться далее; содержание углерода в пластинках феррита будет уменьшаться согласно линии РQ. При температуре 20°С перлит будет состоять из пластинок феррита с содержанием углерода 0,006% (точка Q) и пластинок цементита с содержанием углерода 6,67% (точка L). Зерна перлита под микроскопом при небольших увеличениях имеют темный цвет. Структура перлита изображена на рис. 2г.

Сплав 5 – это пример заэвтектоидной стали. Ниже температуры t₁ предельная растворимость углерода в аустените уменьшается согласно линии SE; лишний угле­род из внутренних областей зерен аустенита диффундирует на поверхность зерен и образует по границам зерен аустенита сетку цементита вторичного. Когда сплав охладится до температуры эвтектоидного превращения (ли­ния РSК), зерна аустенита будут иметь эвтектоидный состав точки S и превратятся в перлит. Количество выделившегося вторичного цементита определяется по формуле:

Q_Ц = (St₂/SK)100% (7)

Очевидно, что с увеличением содержания углерода в сплаве возрастает количество образовавшегося вторичного цементита. Структура заэвтектоидной стали изображена на рис. 2д.