Диаграмма железо-углерод

Диаграмма железо-углерод – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали. 

Диаграмма железо-углерод
Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

Структуры на диаграмме железо-углерод

Напомним о 2 кристаллических формах железа:

  • α-железо. Имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку;
  • γ-железо. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку.
Кристаллическая решетка железа
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:

  1. Жидкая фаза. Концентрация углерода неограниченна;
  2. 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.
  3. Аустенит – твёрдый  раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода — 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.
  4. 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:

  1. 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
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.

  1. 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
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. 

Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

  • линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
  • линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
  • линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
  • линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

 Отметим несколько важных точек на диаграмме:

  • точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
  • точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
  • точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
  • точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

  • A1 – линия PSK;
  • A2 – линия MO – точка Кюри, в которой происходит изменение магнитных свойств сплавов;
  • A3 – температуры, соответствующие линии GS;
  • Acm – температуры, соответствующие линии SE.

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

  • с – для температур фазовых переходов при нагреве;
  • r – при охлаждении,

например, Ac1 или Ar1.

Чтение диаграммы железо-углерод

Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.

Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.

Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

  • в жидкой фазе и аустените в области AEC;
  • в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
  • в аустените в области SEFK;
  • в феррите в области QPKL;
  • в феррите и аустените в области GPS.

 Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%. 

Классификация железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации углерода в сплаве:

  1. C<0,025%. Техническое железо. При комнатной температуре будет состоять только из феррита;
  2. 0,025<C<2,14. Стали:
    • 0,025<C<0,8. Доэвтектоидные стали. Состав: феррит + перлит (или третичный цементит);
    • C=0,8. Эвтектоидная сталь. «Чистый» перлит;
    • 0,8<C<2,14. Заэвтектоидная сталь. Состав: вторичный цементит + перлит;
  1. 2,14<C<6,67. Чугуны: 
    • 2,14<C<4,3. Доэвтектический чугун. Состав: ледебурит + перлит + вторичный цементит;
    • C=4,3. Эвтектический чугун. «Чистый»  ледебурит;
    • 4,3<C<6,67. Заэвтектический чугун. Состав: ледебурит + цементит.

Техническое железо выделяет то, что оно состоит исключительно из феррита. Который и определяет его свойства: мягкость, чрезвычайную пластичность и т.д.

Чугуны же выделяет наличие ледебурита, придающего им хрупкость. Поэтому чугуны не могут подвергаться ковке. Зато обладают лучшими литейными свойствами (чем стали), обусловленными наличием легкоплавкого ледебурита.

Термообработка сталей в ООО КВАДРО

Наше предприятие уже почти четверть века производит на заказ термообработку металлов в Санкт-Петербурге.

Мы производим термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.) по чертежам Заказчика или заданным режимам, а так же  иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).

Основные виды термической обработки металлов, осуществляемые на нашем предприятии на заказ:


Одна мысль про “Диаграмма железо-углерод”

Добавить комментарий