Превращения в сплавах системы «железо – цементит» (Fe – Fe3C)

Фазы феррит (Ф) и аустенит (А) — твердые растворы образуют с цементитом (Ц — химическим соединением) смеси — эвтектику и эвтектоид. Эти структурные составляющие имеют характерное строение, постоянный химический состав, постоянную температуру образования.

Эвтектика — ледебурит (Л) — смесь аустенита и цементита (А + Ц). Образуется в процессе кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3% С) при температуре 1147 °C. Ледебурит имеет низкую пластичность и высокую твердость 550 НВ, сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, состоящий из пластин цементита, проросших разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при более быстром охлаждении (см. ниже, рис. 4.7).

Эвтектическое превращение протекает у всех сплавов системы «железо — цементит», содержащих более 2,14% углерода. В этих сплавах жидкость, сохранившаяся к концу кристаллизации, приобретает (или изначально имеет для сплава эвтектического состава — 4,3% С) эвтектический химический состав и кристаллизуется в ледебурит по эвтектическому механизму (цифры показывают содержание углерода в соответствующих фазах и смеси в процессе превращения при 1147 °С):

Эвтектоид — перлит (П) — смесь феррита и цементита ((б + Ц). Перлит образуется в результате эвтектоидного превращения аустенита постоянного состава (0,8% С) при постоянной температуре — 727 °C. Твердость перлита -180 НB, предел прочности — 600 МПа. Перлит, образующийся при медленном охлаждении, имеет пластинчатое строение из чередующихся пластинок феррита и цементита (см. ниже, рис. 4.6). 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):

Эвтектоидное превращение претерпевает не только структурно свободный аустенит, но также и аустенит, входящий в состав ледебурита. Поэтому структура ледебурита в процессе охлаждения сплавов изменяется. Ледебурит, образовавшийся в процессе кристаллизации, является, как указывалось выше, смесью аустенита и цементита. Этот ледебурит называют аустенитовым (ЛА). При охлаждении до 727 °C 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 ().

Оба превращения (эвтектическое и эвтектоидное) имеют близкую природу — одна исходная фаза превращается в смесь, состоящую из двух фаз, выделяющихся из исходной фазы одновременно. Оба превращения происходят при постоянной температуре (С = 0, так как К = 2; Ф = 3; С = К — Ф + 1 = О, см. 3.3). Разница в том, что при эвтектическом превращении исходная фаза — жидкость, а при эвтектоидном — аустенит, т. е. твердая фаза. Отсюда разница в терминах.

Диаграмма состояния «железо — цементит» («Fe — Fe3C»)

Диаграмма построена до 6,67% С, это соответствует концентрации углерода в цементите, т. е. в пределах «металл — химическое соединение» (как это указывалось в 3.4.5). Эти сплавы реально используются в промышленности. Диаграмма состояния «железо — цементит» имеет исключительное значение для обоснованного выбора железоуглеродистых сплавов при изготовлении изделий различного назначения, а также для теории и практики их термической обработки.

Во-первых, используя диаграмму, можно установить характер превращений и структуру сплавов в зависимости от концентрации в них углерода и температуры.

Во-вторых, по диаграмме «железо — цементит» выбирают температуру нагрева для основных видов термической обработки заготовок и изделий (см. ниже, глава 5).

Диаграмма «железо — цементит» является метастабильной, однако обладает термодинамической устойчивостью, что достигается очень медленным нагревом или охлаждением сплавов до заданной температуры.

Характерные точки для состояния «железо — цементит» и соответствующая структурная диаграмма приведены в табл. 4.1 и па рис. 4.4. На оси абсцисс — изменение содержания углерода и содержания цементита.