Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Структуры на диаграмме железо-углерод

Напомним о 2 кристаллических формах железа:

α-железо. Имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку;
γ-желез. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку.

Кристаллическая решетка железа
Полиморфное превращение одной формы в другую при проведении термообработки сталей происходит при прохождении сплавами линии GSK.

Выделим 4 фазы в системе железо-углерод:

Жидкая фаза. Концентрация углерода не ограничена;
Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.
Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода — 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

В зависимости от условий образования выделяют:

первичный цементит (образуется из жидкости);
вторичный цементит (выделяется из аустенита вокруг его зерен);
третичный цементит (выделяется из феррита по границам его зерен);
эвтектоидный цементит (является составной частью перлита);
эвтектический цементит (является составной частью ледебурита).

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

А0,8→Ф0,025 + Ц6,67

Структура перлита. Ф — феррит, Ц — цементит

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Ж4,3→А2,14 + Ц6,67

Структура ледебурита. Ц — цементит, А — аустенит.

Повторяясь, напомним, что при прохождении сплавов ниже линии PSK (727°С) аустенит, входящий в состав ледебурита, претерпевает перлитное превращение, разделяясь на феррит и цементит. Ледебурит тверд и хрупок.

При комнатной температуре железоуглеродистые сплавы могут иметь различную структуру, а значит и свойства, хотя и состоят всегда всего из 2 фаз: феррита и цементита.

Свойства доэвтектоидной стали

Данный металл относится к низкоуглеродистым сталям, поэтому особых эксплуатационных качеств от него ждать не стоит. Достаточно сказать, что в характеристиках прочности этот сплав значительно проигрывает эвтектоидам. Обусловлено это как раз различиями в структуре. Дело в том, что доэвтектоидный класс стали с содержанием избыточных ферритов уступает в прочности аналогам, имеющим в структурном наборе цементит. Отчасти по этой причине технологи рекомендуют для строительной сферы использовать сплавы, в производстве которых была максимально реализована операция обжига с вытеснением ферритов.

Если же говорить о положительных исключительных свойствах данного материала, то они заключаются в пластичности, стойкости к естественным биологическим процессам разрушения и т. д. Вместе с этим закалка доэвтектоидных сталей может добавить металлу и целый ряд дополнительных качеств. Например, это может быть и повышенная термическая стойкость, и отсутствие предрасположенности к процессам коррозии, а также целый набор защитных свойств, присущих обычным низкоуглеродистым сплавам.

Первичный, вторичный и третичный цементит

По способу и области образования он подразделяется на три основных вида:

первичный;
вторичный;
третичный.

Образование первичного цементита наблюдается в процессе кристаллизации заэвтектического чугуна. В этот момент образуются кристаллы вытянутой формы. Они образовывают первичный карбид. Первичное образование может проявляться в доэвтектическом чугуне в составе ледебурита в процессе кристаллизации расплава. Проведенные исследования показали, что такая смесь железа и углерода присутствует не только в белом чугуне. Она может проявиться в сером чугуне после завершения операции так называемой графитизации.

Процесс образования вторичного вида наблюдается в основном при охлаждении аустенита. Это явление наблюдается при снижении температуры ниже 1147 °С. При такой температуре происходит снижение концентрации углерода в аустените. Освободившиеся атомы углерода вступают в новые связи, и образуется цементит, который называется вторичным. При дальнейшем снижении температуры до эвтектоидной продолжается его формирование. Даже при комнатной температуре он встречается в составе перлита. В этих условиях его можно обнаружить в заэвтектоидной стали. Он образовывается на границах зернистой структуры.

Процесс охлаждения феррита формирует так называемый третичный цементит. Данный вид достаточно сложно зафиксировать, и проводит дальнейшее наблюдение за его образованием. Эта проблема связана с появлением третичного цементита в небольших количествах. Исследования образования данной фракции показали, что он приобретает несколько форм: пластинки, прожилки или в форме иголок. Все эти элементы формируются в зёрнах феррита. Третичное образование достаточно сложно получить, потому что при повышении процентного содержания углерода третичный цементит соединяется с перлитом. При повышении скорости охлаждения содержание углерода сохраняется в растворе металла и образование третичной фракции прекращается. Явным признаком образования является результат постепенного старения феррита. В этом случае в содержании феррита изменяется концентрация углерода.

Из приведенного выше описания можно сделать следующие выводы:

первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
третичный – после охлаждения феррита.

В различных марках стали и чугуна цементит первичный обладает высокой вариативностью формы. Это могут быть пластины правильной формы полоски или образования в форме иголок. При проведении операции отжига он может принимать форму округлых образований. Как результат трансформируется в зернистый перлит.

Как увидеть аустенит?

Как известно, аустенит является твердым раствором углерода в -железе и расположен на диаграмме состояния железо-углерод (рис.1,а) выше 727С (температура перлитного превращения). Поэтому при комнатной температуре увидеть настоящий аустенит невозможно. Можно увидеть аустенит в высокотемпературном микроскопе при нагреве.

При комнатной температуре мы обычно можем увидеть аустенит в легированной стали. В этих сталях много легирующих элементов (кроме углерода), поэтому аустенит в них существует при комнатной температуре. Это, например, нержавеющая сталь (рис.1,б).


а	б

Рисунок 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-углерод (а) и структура аустенита (б) (съемка через зеленый фильтр.).

Можно наблюдать остаточный аустенит после закалки, если в стали содержится больше 0,6% углерода. Как он формируется? Известно, что мартенситное превращение при закалке происходит с увеличением объема, т.е. мартенсит занимает больший объем, чем исходный аустенит. Поэтому, чем дальше идет мартенситное превращение, тем больше сжимается тот аустенит, который еще не превратился в мартенсит. Известно, что аустенит стабилизируется пластической деформацией, т.е. чем больше его сжать, тем хуже он будет превращаться в мартенсит. В какой-то момент превращение вообще остановится, а аустенит останется в стали в «зажатом» виде. Это будут отдельные включения, расположенные случайно. На рис.2 аустенит виден в виде белых включений на фоне мартенсита.

Рисунок 2. Остаточный аустенит в стали после закалки.

Можно ли создать в обычной стали структуру с большим количеством остаточного аустенита? Вероятно, если сжать определенный участок металла при закалке «целенаправленно», то можно создать большую зону с остаточным аустенитом. Такое возможно в процессе плазменной резки, когда поток плазмы расплавляет металл в зоне реза (рис.3).

Рисунок 3. Процесс плазменной резки. (http://novator-grp.ru/rus/projects/Hypertherm/ ; Дата доступа – 25.04.2014)

В процессе резки поверхность реза нагревается. Можно представить себе, как распределится температура в зависимости от расстояния до линии реза (рис.4). Поверхность реза нагревается до температуры, достаточной для поверхностной закалки. Это зона 1. Зона 2 нагреется, очевидно, до температуры выше, чем 727С. Охлаждаться она будет не так быстро, как зона 1. В этой зоне закалки не произойдет, но структура изменится Зона 3 останется без существенных изменений, так как нагреется до температуры ниже 727С.

Рисунок 4. Схема расположения структурных зон при плазменной резке.

Действительно, на поверхности шлифа (после травления реактивом 4% азотной кислоты в этиловом спирте) выявляется слой изменившейся структуры (рис.5).

Рисунок 5. Структура стали вблизи линии плазменного реза.

На поверхности имеется зона (1) толщиной порядка 50-100 мкм. Это зона закалки со структурой мартенсита. После нее следует зона с двухфазной структурой (2). Толщина зоны составляет порядка 250 мкм. В данной зоне однозначно присутствует феррит (α-Fe), который является матрицей материала (был до обработки плазмой). И есть еще светлые, достаточно крупные, участки структуры с четкими границами. Итак, что может быть белым в структуре стали при травлении традиционным реактивом? Аустенит, феррит, цементит. Как их разделить? Можно измерить твердость.В зоне 1 твердость колеблется в пределах 3000-3500 ГПа. Такую твердость имеет троостит или мартенсит отпуска. Микротвердость во второй зоне составляет 2254 ГПа, что соответствует ферриту. Известно, что твердость аустенита в 2-2,5 раза выше, чем феррита, твердость цементита превышает твердость феррита приблизительно в 10 раз. Поэтому светлой фазой может быть только аустенит.Рентгеноструктурный анализ это подтвердил. Обнаружено Fe_γ – остаточный аустенит.Главное! Поскольку процесс изменения структуры начался с поверхности, где шла закалка, формирующийся мартенсит сдавил зону 2 и не дал аустениту превратиться до конца. Превращение «застряло» в области GPS диаграммы состояния железо-углерод на этапе превращения аустенита в феррит.На рис. 6 показана зона 2 при большом увеличении. Светлая фаза – аустенит, более темная – феррит.

Рисунок 6. Структура стали в зоне 2.

Превращение ферритных зерен в аустенитные

Когда ферритное железо нагревают до температуры 912 °С, старый состав ферритных зерен изменяется в новый состав зерен, уже аустенитных – в железе происходит превращение.

Представьте, что ферритная зеренная структура только что достигла температуры превращения. Сначала мы видим образование новых, очень мелких аустенитных зерен, которые накладываются на старые границы ферритных зерен. Потом эти зерна растут, пока все старые ферритные зерна не исчезнут.

При превращении феррита в аустенит происходит два важных явления:

1) Также как и при превращении льда в воду, превращение железе из феррита в аустенит требует тепловой энергии. Поэтому при нагреве температура железа будет оставаться при температуре около 912 °С, пока все ферритные зерна не превратятся в аустенитные.

2) При превращении феррита в аустенит происходят объемные изменения. Плотность аустенита на 2 % выше, чем феррита, что означает, что атом аустенита занимает меньший объем, чем атом феррита.

Все превращения в железе, которые происходят при его нагреве, изображены схематически на рисунке 3.

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.