Цементит – характеристика дана выше.
В железоуглеродистых
сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит
вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). 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.
Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов
Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается
кристаллизация феррита (),
на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD
– кристаллизация цементита первичного.
Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается
кристаллизация феррита ().
На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет
перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая
фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (),
в результате чего образуется аустенит:
На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На
участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет
эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость,
содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь
аустенита и цементита первичного:
Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом
(Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 %
углерода.
При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят
цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный
(ЛП).
По линии HN начинается превращение феррита ()
в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По
линии NJ превращение феррита ()
в аустенит заканчивается.
По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное
полиморфным превращением железа. По линии PG превращение
аустенита в феррит заканчивается.
По линии ES начинается выделение цементита вторичного из
аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в
аустените при понижении температуры.
По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место
магнитные превращения.
По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет
эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит,
содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь
феррита и цементита вторичного:
По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но
протекает в твердом состоянии.
Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П),
содержит 0,8 % углерода.
Название получил за то, что на полированном и протравленном
шлифе наблюдается перламутровый блеск.
Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в
зависимости от условий образования.
По линии PQ начинается выделение цементита третичного из
феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в
феррите при понижении температуры.
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные
превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е.
критические точки, имеют условные обозначения.
Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):
А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А;
A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;
A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от
содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;
A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от
содержания углерода в сплаве) – превращение ;
Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от
содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита
вторичного (иногда обозначается A3).
Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при
различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся
дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е ,
при охлаждении – букву r, т.е. .
Структуры железоуглеродистых сплавов
Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку
делят на две большие группы: стали и чугуны.
Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее
0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры
сплавов представлены на рис.9.2. Структура таких сплавов после
окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита (рис.9.2
а), при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита
и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам
зерен феррита (рис.9.2.б), если содержание углерода от 0,006 до
0,02 %.
Рис.9.2. Микроструктуры технического железа: а – содержание
углерода менее 0,006%; б – содержание углерода 0,006…0,02 %
Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом,
содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию
образованием аустенита.
Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном
состоянии.
Структура сталей формируется в результате перекристаллизации
аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь ;
б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная
сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь.
По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на
доэвтектоидные ,
структура феррит + перлит (рис.9.3
а); эвтектоидные ,
структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или
зернистый (рис. 9.3 б и 9.3 в); заэвтектоидные,
структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная
сетка располагается вокруг зерен перлита.
По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить
количество углерода в составе сплава, учитывая следующее:
количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите –
6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите,
принимается, что в нем углерода нет.
Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 %
(до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики
(ледебурита), называют чугунами.
Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает
их литейные свойства.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой
состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет
их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми
чугунами.
Микроструктуры белых чугунов представлены на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический
белый чугун;
б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый
чугун .
По количеству углерода и по структуре белые чугуны
подразделяются на: доэвтектические ,
структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ;
эвтектические ,
структура ледебурит (Л) (рис. 9.4 б); заэвтектические ,
структура ледебурит + цементит первичный (рис.
9.4 в).
В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует
цементит вторичный, который образуется в результате изменения
состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре
цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав
ледебурита.
Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах
один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако
свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким
образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов
системы железо – цементит является их структура.