Фазовая цементитная диаграмма

Лекция 4

ЦЕМЕНТИТНАЯ ДИАГРАММА

1. Компоненты цементитной диаграммы; 2. Фазы цементитной диаграммы;
3. Фазовая цементитная диаграмма; 4. Структурные превращения в сплавах

 «железо – цементит»;

Компоненты цементитной диаграммы

Сплавы «железо – углерод» рассматривают на фазовой равновесной диаграмме, компонентами которой являются железо и углерод (рис. 1а). На этой диаграмме показано образование цементита – химического соединения углерода с железом (карбид железа) Fe₃C, содержание углерода в котором при нормальной температуре составляет 6,67 %.

Практический интерес представляют сплавы «железо – углерод», относящиеся только к части диаграммы при содержании углерода, не превышающем 6,67 % (рис. 1б). Как отмечалось выше, при таком содержании углерода образуется цементит Fe₃C. Эта часть диаграммы сплава «железо – углерод» получила название цементитной (диаграммы) (рис. 1в). Часто на цементитной диаграмме наряду с содержанием Fe₃C приводится и содержание углерода С (см. рис. 1б).

Очевидно, что для диаграммы сплава «железо – углерод» компонентами являются железо и углерод, а для цементитной диаграммы – железо и цементит.

а)	в)
б)	Рис. 1 – Фазовая равновесная диаграмма «железо – углерод» (а), фрагмент диаграммы «железо – углерод» (б), цементитная диаграмма (в)

Железо (Fe) – металл серебристого цвета; атомный номер 26; атомная масса 55,85 углеродных единиц; атомный радиус 0,127 нм; плотность 7874 кг/м³; температура плавления 1539 ⁰С.

С изменением температуры железо претерпевают полиморфные (структурные) превращения (см. §5 лекции 1), приведенные на рис. 2.

Рис. 2 – Критические точки на диаграмме нагрева (охлаждения) железа

При нагреве железо имеет две температуры полиморфного превращения – 911 и 1392 °С. При температуре свыше 1539 °С оно находится в жидком состоянии в виде расплава – Ж (иногда обозначается L).

Ниже температуры 911 °С железо существует в форме α (α-железо); при температуре 911 °С объемноцентрированная (ОЦК) кубическая решетка Fe_α переходит в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку Fe_γ (γ-железо), которая при температуре 1392 °С вновь переходит в ОЦК Fe_α (высокотемпературную α-модификацию железа иногда обозначают буквой δ).

При 768 °С остановка на кривой охлаждения вызвана не перестройкой кристаллической решетки, а изменением магнитных свойств: выше 768 °С α-железо немагнитно (парамагнитно) (немагнитное α-железо иногда называют β-железо), а ниже – магнитно (ферромагнитно).

Температуры превращений железа (и сплавов на его основе) – критические точки – обозначают буквой А с индексами: с при нагреве – Ас и r при охлаждении – Аr с соответствующими индексами (см. рис. 2).

Важно. Железо образует со многими элементами химические соединения (например, с углеродом – карбиды, азотом – нитриды, серой – сульфиды и др.) и твердые растворы (замещения с металлами и внедрения с неметаллами – углерод, азот, водород).

Углерод (С) – неорганическое неметаллическое вещество; это элемент II периода IV группы Периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12,011, атомный радиус 0,077 нм, температура плавления 3500 ⁰С.

Цементит (Fe₃C) – химическое соединение углерода с железом (карбид железа).

Фазы цементитной диаграммы

Жидкая фаза (Ж или L) – образуется в виде расплава при высокой температуре и представляет собой неограниченный раствор углерода в железе.

С понижением температуры железо также образует с углеродом растворы (внедрения) в твердом состоянии – твердые растворы, но уже ограниченной растворимости – феррит (Fe_α) и аустенит (Fe_γ).

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в а-железе (Fe_α).

Растворимость углерода в феррите мала, так как центр куба решетки ОЦК занят атомом железа: 0,006 % при температуре 20 °С, растворимость повышается при нагреве и достигает максимальной 0,02 % при температуре 727 °С. Предельная растворимость углерода в высокотемпературном δ-феррите достигает 0,1 % при 1499 °С (область AHN на рис. 4).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе (Fe_γ).

Атом углерода в ГЦК-решетке γ-железа располагается в центре граней элементарной кубической ячейки. Поэтому растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите. Она составляет 0,76 % при 727 °С – минимальной температуре существования аустенита, и повышается до 2,14% (предельная растворимость углерода в аустените) при температуре 1147 °С (рис. 4).

Структуры феррита и аустенита приведены на рис. 3.

Рис. 3 – Структура феррита (а) при 20 ⁰С

и аустенита (б) при 1000 ⁰С. х250

Цементит (Ц) – карбид железа Fe₃C, максимальное содержание углерода в котором составляет 6,67%.

Вывод: на цементитной диаграмме возможно существование только четырех фаз: расплав (Ж или L), феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц).

Фазовая цементитная диаграмма

На рис. 4 представлено распределение установленных в §2 фаз на цементитной диаграмме, а в таблице 1 приведены характерные точки цементитной диаграммы.

Линия ABCD называется ликвидус, а линия AHJECFD – солидус.

Рис. 4 – Фазовая цементитная диаграмма

Таблица 1 – Характерные точки цементитной диаграммы

М           20          6,67

Рассмотрим фазовые превращения при кристаллизации сплава «железо – углерод».

Выше линии ABCD сплав находится в жидком состоянии в виде расплава. При содержании углерода менее 0,5 % (точка В) с охлаждением расплава ниже линии АВ образуется твердая фаза в виде высокотемпературной формы α-феррита – δ-феррит, т.е. область AHB является двухфазной, состоящей из расплава L и δ-феррита.

При снижении температуры до 1499 ⁰С на линии HJB происходит перитектическое превращение (точка J с содержанием углерода 0,16 %) – δ-феррит (Ф_δ) состава 0,1 % С реагирует с расплавом (Ж) состава 0,5 % С с образованием аустенита:

Ф_{δ 0,1 % С} + Ж_{0,5 %} → А₀,_{16% С}.                                (1)

При содержании углерода 0,1-0,16 % (линия HJ) сохраняется избыточный (к необходимому для перитектического превращения) δ-феррит, который при температуре ниже 1499 ⁰С кристаллизуется вместе с аустенитом, т.е. область HJN является двухфазной – Ф_δ + А.

При содержании углерода 0,16-0,5 % (линия HB) сохраняется избыточный (к необходимому для перитектического превращения) расплав, который при температуре ниже 1499 ⁰С образует двухфазную область JBCE – L + A.

Также двухфазной является область CDF, состоящая из цементита и расплава – Ц + L.

В однофазной области AHN кристаллизуется твердая фаза в виде высокотемпературной формы α-феррита – δ-феррит (Fe_δ).

В однофазной области NJESG кристаллизуется аустенит А.

В однофазной области GPQ0 кристаллизуется низкотемпературная форма α-феррита – Fe_α.

Область GSP состоит из механической смеси двух фаз – низкотемпературной формы α-феррита и аустенита: Fe_α + А.

Область ECFKS состоит из механической смеси двух фаз – аустенита и цементита: А + Ц.

Двухфазная область PSKMQ представляет механическую смесь низкотемпературной формы α-феррита и цементита: Fe_α + Ц.