Компоненты системы и полиморфизм железа
Железо - металл с температурой плавления 1539 °C, обладающий полиморфизмом, то есть способностью менять тип кристаллической решетки при нагреве и охлаждении. Именно полиморфизм железа делает возможной термическую обработку стали.
| Модификация | Интервал температур | Решетка |
|---|---|---|
| Feα | ниже 911 °C | Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) |
| Feγ | 911-1392 °C | Гранецентрированная кубическая (ГЦК) |
| Feδ | 1392-1539 °C | ОЦК (высокотемпературная) |
При 768 °C (точка Кюри, критическая точка A2) железо теряет ферромагнитные свойства, но тип решетки не меняется. Углерод растворяется в железе по типу внедрения; его растворимость в ГЦК-решетке значительно больше, чем в ОЦК, потому что октаэдрические поры в ГЦК крупнее.
Цементит Fe3C - химическое соединение (карбид железа) с содержанием углерода 6,67 %. Диаграмму Fe - Fe3C называют метастабильной: при очень медленном охлаждении или при наличии графитизирующих элементов (кремний) углерод выделяется в виде графита, и сплавы описываются стабильной диаграммой Fe - C (на рисунках ее обычно показывают штриховыми линиями).
Фазы и структурные составляющие
Следует различать фазы - однородные части системы с одинаковым составом и строением, отделенные поверхностью раздела, и структурные составляющие - элементы микроструктуры, видимые под микроскопом, которые могут состоять из одной или нескольких фаз. В системе Fe - Fe3C пять фаз: жидкий раствор, δ-феррит, аустенит, феррит и цементит.
| Название | Тип | Состав и строение | Свойства |
|---|---|---|---|
| Жидкость (Ж, L) | Фаза | Жидкий раствор углерода в железе | Существует выше линии ликвидус |
| Феррит (Ф, α) | Фаза | Твердый раствор внедрения углерода в Feα, до 0,02 % C при 727 °C и около 0,006 % при 20 °C | Мягкий и пластичный: около 80-100 HB, σв около 250 МПа, δ около 50 %; ферромагнитен до 768 °C |
| Аустенит (А, γ) | Фаза | Твердый раствор внедрения углерода в Feγ, до 2,14 % C при 1147 °C и 0,8 % при 727 °C | Пластичен, парамагнитен, в углеродистых сталях устойчив только выше 727 °C |
| Цементит (Ц) | Фаза | Карбид Fe3C, 6,67 % C, сложная ромбическая решетка | Очень твердый (около 800 HB) и хрупкий, пластичность близка к нулю |
| Перлит (П) | Структура | Эвтектоидная смесь феррита и цементита, 0,8 % C, образуется при 727 °C | Около 200-230 HB, σв около 800 МПа; бывает пластинчатым и зернистым |
| Ледебурит (Л) | Структура | Эвтектическая смесь аустенита и цементита, 4,3 % C, образуется при 1147 °C; ниже 727 °C - смесь перлита и цементита (превращенный ледебурит) | Твердый и хрупкий, около 700 HB, характерное "сотовое" строение |
Виды цементита
- Первичный цементит (ЦI) кристаллизуется из жидкости в заэвтектических чугунах по линии CD, образует крупные пластины.
- Вторичный цементит (ЦII) выделяется из аустенита по линии ES из-за уменьшения растворимости углерода, располагается сеткой по границам зерен.
- Третичный цементит (ЦIII) выделяется из феррита по линии PQ, заметен лишь в низкоуглеродистых сталях и техническом железе.
По химическому составу и строению решетки все виды цементита одинаковы, различаются только происхождением, размерами и формой выделений.
Характерные точки диаграммы
Буквенные обозначения точек приняты международно, их нужно знать вместе с координатами.
| Точка | Температура, °C | Углерод, % | Смысл |
|---|---|---|---|
| A | 1539 | 0 | Плавление чистого железа |
| H | 1499 | 0,1 | Предельная растворимость углерода в δ-феррите |
| J | 1499 | 0,16 | Перитектическая точка: ЖB + ФH → АJ |
| B | 1499 | 0,51 | Состав жидкости, участвующей в перитектической реакции |
| N | 1392 | 0 | Превращение Feδ ↔ Feγ |
| D | около 1250 | 6,67 | Условная температура плавления цементита |
| E | 1147 | 2,14 | Максимальная растворимость углерода в аустените, граница сталей и чугунов |
| C | 1147 | 4,3 | Эвтектическая точка: ЖC → АE + Ц (ледебурит) |
| F | 1147 | 6,67 | Цементит на эвтектической линии |
| G | 911 | 0 | Превращение Feγ ↔ Feα |
| S | 727 | 0,8 | Эвтектоидная точка: АS → ФP + Ц (перлит) |
| P | 727 | 0,02 | Максимальная растворимость углерода в феррите |
| K | 727 | 6,67 | Цементит на эвтектоидной линии |
| Q | 20 | около 0,006 | Растворимость углерода в феррите при комнатной температуре |
В ряде учебников эвтектоидную концентрацию указывают как 0,8 %, в других - 0,76-0,77 %, а температуру плавления железа - 1538 °C. Оба варианта принимаются, если вы используете их последовательно.
Линии диаграммы и критические точки
- ABCD - линия ликвидус. Выше нее все сплавы жидкие. По AB начинается кристаллизация δ-феррита, по BC - аустенита, по CD - первичного цементита.
- AHJECF - линия солидус. Ниже нее сплавы полностью твердые.
- HJB (1499 °C) - перитектическая линия. Жидкость состава B реагирует с δ-ферритом состава H с образованием аустенита состава J.
- ECF (1147 °C) - эвтектическая линия. Жидкость состава C (4,3 % C) кристаллизуется в ледебурит. Линия присутствует у всех сплавов с содержанием углерода более 2,14 %.
- PSK (727 °C) - эвтектоидная линия, критическая точка A1. Аустенит состава S (0,8 % C) распадается на перлит. Линия есть у всех сплавов с содержанием углерода более 0,02 %.
- GS - линия A3. При охлаждении начинается выделение феррита из аустенита в доэвтектоидных сталях.
- ES - линия Acm. Линия предельной растворимости углерода в аустените, начало выделения вторичного цементита.
- PQ - линия предельной растворимости углерода в феррите, выделение третичного цементита.
- GP - окончание превращения аустенита в феррит в сплавах с содержанием углерода менее 0,02 %.
- MO (768 °C) - точка A2, магнитное превращение феррита; при 210 °C (точка A0) теряет магнитность цементит.
Критические точки при нагреве обозначают индексом c (Ac1, Ac3, Accm), при охлаждении - индексом r (Ar1, Ar3). Из-за гистерезиса при реальных скоростях Ac лежит выше, а Ar ниже равновесных температур.
Правило фаз на горизонтальных линиях
Правило фаз Гиббса для металлических систем при постоянном давлении: C = K - Ф + 1, где C - число степеней свободы, K - число компонентов, Ф - число фаз. На линиях HJB, ECF и PSK в равновесии находятся три фазы двухкомпонентной системы: C = 2 - 3 + 1 = 0. Поэтому превращение идет при постоянной температуре, а на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка. Основы правила фаз подробно разбираются в курсе физической химии.
Классификация сталей по структуре
Сталь - сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14 % C. Стали кристаллизуются без образования ледебурита и при нагреве переводятся в однофазное аустенитное состояние, поэтому хорошо обрабатываются давлением.
| Группа | Углерод, % | Структура при 20 °C | Пример марки |
|---|---|---|---|
| Техническое железо | до 0,02 | Феррит (+ ЦIII) | Армко-железо |
| Доэвтектоидная сталь | 0,02-0,8 | Феррит + перлит | Сталь 20, сталь 45 |
| Эвтектоидная сталь | 0,8 | Перлит | У8 |
| Заэвтектоидная сталь | 0,8-2,14 | Перлит + вторичный цементит (сетка) | У10, У12 |
С ростом содержания углерода в доэвтектоидной стали растет доля перлита, поэтому повышаются твердость и прочность, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Прочность достигает максимума около 0,8-1,0 % C; при большем содержании сетка вторичного цементита охрупчивает сталь и предел прочности падает, хотя твердость продолжает расти.
Превращения в стали 45 при охлаждении
- Выше линии AB (около 1505 °C) сплав жидкий; при охлаждении ниже нее из жидкости кристаллизуется δ-феррит, при 1499 °C на линии HJB идет перитектическая реакция, затем из оставшейся жидкости кристаллизуется аустенит, и ниже солидуса JE сплав полностью аустенитный.
- Аустенит охлаждается без превращений до линии GS (около 780 °C).
- Между GS и PSK из аустенита выделяется феррит; аустенит обогащается углеродом по линии GS.
- При 727 °C оставшийся аустенит, содержащий 0,8 % C, превращается в перлит.
- Ниже 727 °C из феррита выделяется незначительное количество третичного цементита. Итоговая структура - феррит + перлит.
Белые чугуны по диаграмме
Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % C. Чугуны имеют в структуре эвтектику (ледебурит в белых чугунах), хорошие литейные свойства и низкую пластичность. По диаграмме Fe - Fe3C кристаллизуются белые чугуны, у которых весь углерод связан в цементит; излом таких чугунов светлый.
| Чугун | Углерод, % | Структура при 20 °C |
|---|---|---|
| Доэвтектический | 2,14-4,3 | Перлит + вторичный цементит + ледебурит превращенный |
| Эвтектический | 4,3 | Ледебурит превращенный (перлит + цементит) |
| Заэвтектический | 4,3-6,67 | Ледебурит + первичный цементит |
Белые чугуны очень тверды и хрупки, плохо обрабатываются резанием и применяются ограниченно: для деталей, работающих на износ, и как исходный материал для получения ковкого чугуна. В серых, высокопрочных и ковких чугунах углерод находится в виде графита (пластинчатого, шаровидного или хлопьевидного), их кристаллизацию описывает стабильная диаграмма Fe - C.
Правило отрезков и пример расчета
Правило отрезков (правило рычага) позволяет в двухфазной области определить состав фаз и их количественное соотношение.
- Через точку, отвечающую сплаву при заданной температуре, проводят горизонталь (коноду) до пересечения с границами двухфазной области.
- Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.
- Количество каждой фазы обратно пропорционально длине отрезка, прилегающего к ее границе: доля фазы равна длине противолежащего отрезка, деленной на длину всей коноды.
Пример 1. Сталь с 0,4 % C при 730 °C
Сплав находится в области Ф + А. Состав феррита - около 0,02 % C (точка P), состав аустенита - около 0,8 % C (точка S). Доля аустенита: QА = (0,4 - 0,02) / (0,8 - 0,02) · 100 % ≈ 49 %. Доля феррита: QФ = (0,8 - 0,4) / (0,8 - 0,02) · 100 % ≈ 51 %. После охлаждения ниже 727 °C весь аустенит превратится в перлит, значит в структуре будет около 49 % перлита и 51 % феррита.
Отсюда практическое правило для металлографии: содержание углерода в доэвтектоидной стали C ≈ 0,8 · П / 100, где П - доля перлита в процентах по площади шлифа.
Пример 2. Сталь У12 (1,2 % C) при комнатной температуре
Структурные составляющие: перлит (0,8 % C) и вторичный цементит (6,67 % C). Доля вторичного цементита: (1,2 - 0,8) / (6,67 - 0,8) · 100 % ≈ 6,8 %, доля перлита около 93,2 %.
Диаграмма и термическая обработка стали
Температуры нагрева при термообработке выбирают по критическим точкам A1 (линия PSK), A3 (линия GS) и Acm (линия ES). Подробнее о видах термообработки и легированных сталях - в общей шпаргалке по материаловедению.
| Операция | Температура нагрева | Охлаждение | Результат |
|---|---|---|---|
| Полный отжиг (доэвтектоидные стали) | Ac3 + 30-50 °C | С печью | Феррит + перлит, мелкое зерно, снятие наклепа и напряжений |
| Неполный отжиг, сфероидизация (заэвтектоидные стали) | Ac1 + 30-50 °C | Медленное | Зернистый перлит, улучшение обрабатываемости резанием |
| Нормализация | Ac3 (Accm) + 30-50 °C | На спокойном воздухе | Более мелкая и прочная феррито-перлитная структура, устранение цементитной сетки |
| Полная закалка (доэвтектоидные) | Ac3 + 30-50 °C | В воде или масле, быстрее критической скорости | Мартенсит |
| Неполная закалка (заэвтектоидные) | Ac1 + 30-50 °C | В воде или масле | Мартенсит + зернистый цементит, максимальная износостойкость |
| Низкий отпуск | 150-250 °C | На воздухе | Отпущенный мартенсит, высокая твердость (инструмент) |
| Средний отпуск | 350-500 °C | На воздухе | Троостит отпуска, высокая упругость (пружины, рессоры) |
| Высокий отпуск | 500-680 °C | На воздухе | Сорбит отпуска, лучшее сочетание прочности и вязкости |
Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением; ее применяют для валов, шатунов и других ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей 40, 45, 40Х. Доэвтектоидные стали не закаливают из межкритического интервала Ac1 - Ac3, потому что в структуре останется мягкий феррит. Заэвтектоидные, наоборот, не нагревают выше Accm: зерно аустенита вырастет, увеличится количество остаточного аустенита, и твердость после закалки будет ниже.
Диаграмма Fe - Fe3C описывает только равновесные (медленные) превращения. Неравновесные превращения при быстром охлаждении (образование сорбита, троостита, бейнита, мартенсита) изучают по диаграммам изотермического распада переохлажденного аустенита (С-образным кривым) и термокинетическим диаграммам.
Вопросы и ответы по диаграмме Fe - Fe3C
Почему граница между сталью и чугуном проходит при 2,14 % углерода?
Точка E соответствует максимальной растворимости углерода в аустените. Сплавы левее нее при нагреве можно полностью перевести в аустенит, и в них не образуется эвтектика. Правее точки E при кристаллизации всегда образуется ледебурит.
Чем перлит отличается от ледебурита?
Перлит - эвтектоид, образуется из твердого аустенита при 727 °C и состоит из феррита и цементита, содержит 0,8 % C. Ледебурит - эвтектика, образуется из жидкости при 1147 °C и состоит из аустенита и цементита, содержит 4,3 % C.
Перлит - это фаза или структура?
Перлит - структурная составляющая, механическая смесь двух фаз: феррита и цементита. Фазами в системе являются только жидкость, δ-феррит, аустенит, феррит и цементит.
Почему на линиях ECF и PSK превращение идет при постоянной температуре?
На этих линиях в равновесии находятся три фазы. По правилу фаз Гиббса число степеней свободы равно нулю, поэтому температура не может меняться до окончания превращения.
Как определить содержание углерода в стали по микрошлифу?
Для доэвтектоидной стали оценивают долю площади, занятой перлитом, и умножают ее на 0,8 %. Например, если перлит занимает 25 % площади, сталь содержит около 0,2 % C.
Какая линия диаграммы обозначает критическую точку A3?
Линия GS. Выше нее доэвтектоидная сталь имеет однофазную аустенитную структуру, а ниже начинается выделение феррита.