Анализ фазовых превращений сплавов железа с углеродом

Фазовые превращения сплавов железа с углеродом

Механические качества стали или чугуна закладываются задолго до готового изделия — они рождаются в процессе кристаллизации и последующего остывания, когда внутри металла одна фаза сменяет другую. Управлять этим переходом помогает наглядная карта, которая соотносит температуру нагрева, долю углерода в сплаве и формирующиеся при этом структуры. Освоение такой карты и понимание скрытых за ней превращений образуют смысловое ядро металловедения.

Ключевые линии диаграммы и их смысл

Начать разбор удобнее не с перечня фаз, а с геометрии самой диаграммы, ведь именно её линии отмечают моменты, когда сплав вступает в очередное превращение.

Границы плавления и затвердевания

Верхняя граница, вдоль которой стартует кристаллизация сталей и белых чугунов, носит название ликвидуса и обозначается как ACD. Причём на её левом отрезке AC из жидкости первым выделяется аустенит, а на правом участке CD — цементит. Ниже расположена линия солидуса AECF, отмечающая температуру начала плавления. Там, где углерода менее 2,14 %, сплав окончательно застывает вдоль отрезка AE, приобретая аустенитную структуру. Стоит доле углерода подняться в пределах 2,14–4,3 % (участок EC) или 4,3–6,67 % (участок CF), как затвердевание сопровождается рождением эвтектики, известной под именем ледебурита. В треугольнике между AEC и AC одновременно уживаются расплав и зёрна аустенита, а в зоне между CD и CF — расплав и кристаллы первичного цементита.

Превращения при дальнейшем охлаждении

За вторичную кристаллизацию отвечает тройка линий: PQ, GSE и PSK. Спуск по линии GS запускает переход аустенита в феррит, поэтому область GSP заполняет двухфазная смесь «феррит + аустенит».

Отдельного пояснения требует линия SE. Она демонстрирует, что охлаждение сокращает способность аустенита удерживать углерод: при 1147 °C в нём растворено 2,14 %, тогда как при 727 °C остаётся всего 0,8 %. У сталей, где углерода от 0,8 до 2,14 %, лишний углерод по мере остывания уходит из аустенита вторичным цементитом, и потому под линией SE закрепляется структура «цементит + аустенит». В чугунах с содержанием углерода 2,14–4,3 % при 1147 °C рядом с ледебуритом сохраняется аустенит, который при спаде температуры тоже расстаётся с вторичным цементитом. Как следствие, ниже линии CE и до отметки 727 °C белый чугун несёт структуру «вторичный цементит + ледебурит + аустенит».

Две формы диаграммы состояния

Вступая в связь с железом, углерод образует цементит. Практический интерес представляют сплавы, где его доля не выходит за 5 %, а значит, внимание сосредоточено на отрезке диаграммы от чистого железа до цементита. Так как цементит по своей природе метастабилен, отвечающий ему вариант карты, вычерченный сплошными линиями, тоже принято называть метастабильным.

Совершенно иначе выглядит ситуация с серыми чугунами и графитизированными сталями. Для них берут в расчёт стабильную ветвь железо–графит, потому что устойчивой фазой здесь оказывается графит. Корень различия — в темпе выделения фаз: из расплава цементит рождается ощутимо быстрее графита, а потому в белых чугунах и сталях удерживается подолгу, невзирая на собственную метастабильность. В серых же чугунах графит присутствует непременно. Линии стабильного равновесия с участием графита наносят на диаграмму пунктиром, а их точки отмечают штрихом, чтобы не спутать с метастабильными линиями цементита.

Фазовый состав системы железо–углерод

Система насчитывает пять фаз: расплав, феррит, аустенит, цементит и графит. Разница между ними кроется в типе кристаллической решётки, в том, сколько углерода каждая способна растворить, и в наборе механических характеристик.

Расплав и феррит

Пребывая в жидком виде, железо принимает углерод в любых пропорциях, давая с ним однородный расплав.

Что касается феррита, то это твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе, решётка которого объёмно-центрированная кубическая. Углеродные атомы устраиваются в дефектах решётки, на серединах рёбер и в центрах граней куба. Растворяет углерод феррит скупо, и предел этот зависит от температуры: максимум в 0,2 % достигается при 700 °C (точка P), а минимум в 0,006 % — при комнатной температуре (точка Q). Существует и высокотемпературная разновидность феррита: она возникает при 1392 °C, а её растворимость доходит до 0,1 % при 1500 °C (точка H).

Аустенит

Под аустенитом понимают твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой, где углеродный атом располагается в центре ячейки. Максимальное насыщение — порядка 2,14 % углерода при 1147 °C (точка E). Фаза эта пластична, парамагнитна, а твёрдость её лежит в диапазоне 200–250 HB. Растворение сторонних элементов в феррите либо аустените сдвигает температурные рамки их существования и корректирует свойства.

Цементит

Цементит — соединение железа с углеродом, содержащее около 6,67 % углерода и построенное на сложной ромбической решётке. Твёрдость его переваливает за 1000 HB, но расплачивается материал за это чрезвычайной хрупкостью. Как метастабильная фаза, при затяжном нагреве цементит распадается сам собой, отдавая графит.

Условия появления цементита неодинаковы, и по этому признаку выделяют пять его разновидностей. Первичный вырастает прямо из расплава крупными пластинчатыми кристаллами. Вторичный отделяется от аустенита, обволакивая его зёрна сеткой. Третичный рождается из феррита мелкими вкраплениями вдоль границ зёрен. Эвтектоидный обладает пластинчатым обликом и служит составляющей перлита, тогда как эвтектический попадается лишь в белых чугунах.

Сферические же выделения цементита получают либо закалкой с высоким отпуском, либо целенаправленным сфероидизирующим отжигом. Расположение таких включений, их численность, габариты и очертания напрямую сказываются на механике сплава — благодаря этому на практике удаётся выверить нужное соотношение прочности, твёрдости и стойкости к хрупкому разрушению.

Графит

Графит — фаза из чистого углерода, чья решётка слоистая, гексагональная. По плотности он заметно уступает прочим фазам, оттого его формирование идёт неохотно и с задержкой; при быстром охлаждении вместо графита нередко вырывается вперёд цементит. Возникновение графита урезает усадку при кристаллизации, а сам он берёт на себя роль смазки в узлах трения, ослабляя износ и поглощая энергию вибраций. Форму графит принимает либо изогнуто-пластинчатую, как в сером чугуне, либо шаровидную, как в высокопрочном.