Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния Fе—С (рисунок 33) включает все сплавы (сталь, 
 чугун), имеющие практическое применение. Она является результатом
 работ многих ученых и непрерывно уточняется вплоть до нашего времени. Практически максимальное содержание углерода в сплавах с железом равно 6, 67%. Это значение соответствует содержанию углерода
 в карбиде железа Fе₃С (химическое соединение, которое следует
 рассматривать как самостоятельный компонент).

На диаграмме нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться в элементарном
 виде (графит) и в виде химического соединения (цементит).

Таким образом, диаграмма состояния системы железо — углерод
 может иметь два варианта: 1) система железо — цементит (метастабильная) и 2) система железо—графит (стабильная). Рассмотрим диаграмму состояния системы железо—цементит (сплошные линии).

Верхняя часть диаграммы железо—цементит. Точка А на диаграмме показывает температуру плавления чистого железа, а точка D' показывает температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации
 расплава начинается по линии АВСD (линия ликвидуса). Выше линии ликвидуса (область I) сплав находится в жидком состоянии
 и представляет собой однородную систему.

Рисунок 33. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

Линия АНJЕСF является линией солидуса. Сплавы, лежащие ниже
 этой линии, находятся в твердом состоянии. При температурах между линиями ликвидуса и солидуса происходит кристаллизация сплавов.
 В период кристаллизации одновременно существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы твердых растворов. Рассматривая линию
 АВСD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода
 в железе до 4, 3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим повышением содержания углерода (участок СD) температура
 плавления сплава увеличивается. На участке линии ликвидуса АВ
 выделяются кристаллы δ —раствора, состав которых определяется линией АН. Состав жидкой фазы изменяется по линии АВ. Предельную
 растворимость углерода (0, 1%) в Fе_δ при температуре 1493 °С показывает точка Н. На линии HJВ при температуре 1493 °С жидкость, 
 содержащая 0, 5% С (точка В), реагирует c ранее выпавшими кристаллами δ —раствора и образуют кристаллы нового вида. Реакцию подобного
 типа называют перитектической. В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита, содержащего 0, 18% С (точка J).

По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают
 кристаллы аустенита переменного состава, в которых содержание углерода от 0, 5 до 4, 3% меньше, чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением температуры
 происходит по линии ВС, а выпавших кристаллов — по линии JЕ (линия солидуса). Если сплавы содержат до 2, 0% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147 °С. Кристаллизация
 сплавов, содержащих 2—4, 3%, заканчивается полностью по линии
 ЕС при температуре 1147° С, где жидкая фаза обогащается углеродом
 до 4, 3%. Одновременно из расплава выпадают кристаллы аустенита, 
 содержащие 2% С (точка Е) и цементита, содержащего 6, 67% С (точка F). Механическая смесь кристаллов цементита и аустенита образует
 ледебурит (точка С).

Сплавы, лежащие правее точки С, т. е. содержащие от 4, 3 до 6, 67%
 С, кристаллизуются по линии СD. В начале кристаллизации из расплава выделяется первичный цементит. По мере выпадения из жидкого
 расплава первичного цементита содержание углерода в жидкой фазе
 уменьшается. При температуре 1147 °С (линия СF) оставшийся расплав
 содержит 4, 3% С и затвердевает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии СF)
 состоит из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, находящиеся влево от точки С (содержащие до 4, 3% С), 
 называют доэвтектическими, а сплавы, находящиеся вправо от точки
 С (содержащие более 4, 3% С) — заэвтектическими. Между линиями
 ликвидуса АВСD и солидуса АНJЕСF (области II и III) железоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твердой фаз, причем с понижением температуры количество твердой фазы увеличивается.

Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания
 структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита и ледебурита, структура эвтектического сплава из ледебурита и структура
 заэвтектических сплавов из первичного цементита и ледебурита.

Нижняя часть диаграммы системы железо—цементит. Ниже линии
 солидуса АНJЕСF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдаются дальнейшие изменения их структуры, связанные
 с перекристаллизацией в твердом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением температуры железо переходит из одной модификации в другую (Fе_ɣ ——> Fе_ɑ ) и растворимость углерода в Fе_ɣ и Fе_ɑ заметно уменьшается.

Доэвтектические сплавы (до 2% С) в области IV состоят из одного
 аустенита. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0, 8% С (левее
 точки S), ниже линии GOS происходит распад аустенита с выделением
 из него избыточного феррита. Так как феррит, выделяющийся при охлаждении аустенита по линии GOS, содержит не более 0, 025% С (предельная растворимость углерода в Fе_ɑ , точка Р), ауcтенит несколько обогащается углеродом, изменяя состав по линии SE. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии GOS. Такой процесс
 протекает до температуры 727 °С. В этой точке при 0, 8% С аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цементита — перлит. Пользуясь— правилом отрезков по диаграмме состояния (см. рисунок 33), можно определить соотношение феррита и цементита в перлите при 727 °С

где Q — количество вещества.

Сплавы с содержанием 0, 8% С называются эвтектоидными, менее
 0, 8% — доэвтектоидными и более 0, 8% С — заэвтектоидными. При
 охлаждении сплавов, лежащих правее точки 5 и содержащих более
 0, 8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита с выделением
 из него вторичного цементита. Так как выделяющийся вторичный
 цементит содержит 6, 67% С, концентрация углерода в остающемся
 аустените изменяется по линии SE до состава точки S (0, 8% С) при
 727 °С.

Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из
 аустенита и феррита, а в области IX — из феррита и перлита. Заэвтектоидные сплавы (0, 8—2, 0% С) в области V состоят из аустенита
 и вторичного цементита, а в области X — из вторичного цементита
 и перлита.

Сплавы, содержащие от 2, 0 до 4, 3% С, выше линии РSК, но ниже
 линии ЕСF (область VI) состоят из аустенита, вторичного цементита
 и ледебурита.

По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит
 превращение аустенита в перлит; структура сплава состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, соответствующие
 эвтектической точке С, ниже линии РSК имеют структуру одного ледебурита.

Сплавы, содержащие 4, 3—6, 7% С, ниже линии СF, но выше линии
 РSК (область VII) состоят из первичного цементита и ледебурита; 
 ниже линии РSК (область XII) сплавы сохраняют эту структуру.

В нижней левой части диаграммы линия РQ показывает уменьшение растворимости углерода в ɑ — железе (феррите) с понижением температуры. По линии РQ выделяется третичный цементит. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состоят из феррита и третичного
 цементита.

Сплавы, находящиеся внутри области QPG, состоят только из
 феррита.