Структурные превращения в сплавах «железо – цементит»

Понижение/повышение температуры в сплаве «железо – углерод» сопровождается образованием структур – обособленных частей сплава, имеющих характерное строение, постоянные химический состав, количество, форму, размеры и расположение фаз и температуру образования (см. §2 лекции 2).

К таким структурным образованиям в сплаве «железо – углерод» относятся ледебурит (эвтектика) и перлит (эвтектоид).

Ледебурит (Л) – двухфазная смесь (механическая), состоящая из двух фаз – (твердого раствора) аустенита (А) и (химического соединения) цементита (Ц), кристаллизующихся из расплава при эвтектическом превращении.

Ледебурит образуется в эвтектике при кристаллизации из расплава определенного состава (4,3% углерода) при температуре 1147 ⁰С. На цементитной диаграмме точка с такими координатами обозначена буквой “С” (см. рис. 4).

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, состоящий из пластин цементита, проросших разветвленными кристаллами аустенита. При более быстром охлаждении образуется пластинчатый ледебурит,состоящий из тонких пластин цементита, разделенных (пластинками) аустенита.

Образование ледебурита протекает у всех сплавов системы «железо – цементит», содержащих более 2,14% углерода. В этих сплавах жидкость, сохранившаяся к концу кристаллизации или изначально имеющая эвтектический состав (4,3% С), кристаллизуется в ледебурит по эвтектическому механизму (цифры показывают содержание углерода в фазах А, Ж и Ц, и их смеси Л при 1147 ⁰С):

.                 (2)

Перлит (П) – двухфазная смесь (механическая), состоящая из двух фаз – (твердого раствора) феррита (Ф) и (химического соединения) цементита (Ц), кристаллизующихся из аустенита при эвтектоидном превращении.

Перлит образуется в результате эвтектоидного превращения аустенита (Fe_γ) определенного состава (0,8 % углерода) при температуре 727 ⁰С. На цементитной диаграмме точка с такими координатами обозначена буквой “S” (см. рис. 4).

Перлит, образующийся при медленном охлаждении, имеет пластинчатое строение из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит приобретает зернистое строение. В этом случае цементит образует округлые зерна – сфероиды.

Эвтектоидная реакция протекает во всех сплавах, содержащих более 0,02 % углерода (цифры показывают содержание углерода в соответствующих фазах и смеси в процессе превращения при 727 °С):

.          (3)

Эвтектоидное превращение претерпевает не только структурно свободный аустенит, но также и аустенит, входящий в состав ледебурита. Поэтому структура ледебурита в процессе охлаждения сплавов изменяется.

Определения. А) Ледебурит, образовавшийся в процессе кристаллизации, является, как указывалось выше, смесью аустенита и цементита. Этот ледебурит называют аустенитовым (Л_А).

Б) При охлаждении до 727 ⁰С происходит эвтектоидное (перлитное) превращение, в результате которого аустенит, находящийся в ледебурите, превращается в перлит; ледебурит при этом становится смесью перлита и цементита. Его называют перлитовым (Л_п):

Оба превращения (эвтектическое и эвтектоидное) имеют близкую природу – одна исходная фаза превращается в смесь, состоящую из двух фаз. Разница в том, что при эвтектическом превращении исходная фаза – жидкость (расплав), а при эвтектоидном – твердая фаза (аустенит).