Наличие двух цементита и (высокоуглеродистых фаз графита) ведет к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной – железо-стабильной железо и – цементит-графит. Свободная энергия цементита неизменно больше, чем свободная энергия графита.
Кристаллические структуры аустенита и цементита близки, в то время как кристаллические структуры графита и аустенита значительно разны. По составу цементит и аустенит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем графит и аустенит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит — 6,67 %С, жидкая фаза — от 2,14 до 6,67 %С, графит — 100 %C.
Исходя из этого образование цементита из жидкости либо из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и нужные диффузионные трансформации, меньше при кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, не обращая внимания на меньший выигрыш свободной энергии. Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис.46.
Линии диаграммы: ABCD (линия ликвидус — место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус — место точек финиша кристаллизации) характеризуют конец и начало первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в феррите и аустените.
При понижении температуры растворимость значительно уменьшается, и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято именовать первичным, из аустенита — вторичным, из феррита — третичным. Три горизонтальные линии HJB, ECF и PSK говорят о протекании трех превращений при постоянной температуре. При 1499 °С (горизонталь HJB) происходит перитектическая реакция LВ +ФН АJ. В следствии реакции образуется аустенит.
При 1147еС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция
Lс АЕ + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, преобразовывается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, именуемую ледебуритом).
При 727оС (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция
АФр + Ц (в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид появляется из жёстких фаз). Продукт превращения — эвтектоидная смесь цементита и феррита, именуемая перлитом. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. складывается из чередующихся цементита и пластинок феррита. По окончании особой термической обработки перлит может иметь зернистое строение.
Однофазные области диаграммы Fe — Fe3C: жидкий расплав (L) — выше линии ABCD, феррит (Ф) — области ANH и GPQ, аустенит (А) — область JESGN.
Двухфазные области диаграммы: AHB — в равновесии находится кристаллы и жидкий расплав ? -феррита, NHJ — в равновесии кристаллы ? -аустенита и феррита, JECB — в равновесии кристаллы аустенита и жидкий расплав, CDF — в равновесии кристаллы цементита и жидкий расплав, SECFK — в равновесии кристаллы цементита и аустенита, GSP — в равновесии кристаллы аустенита и а -феррита, QPSKL — в равновесии кристаллы а -цементита и феррита.
Сплавы железа с углеродом, которые содержат до 0,02% С, именуют техническим железом. Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14% носят название сталей (от 0,02 до 0,8% — доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % — заэвтектоидные стали). Сплавы железа с углеродом , которые содержат от 2,14 до 6,67 %С именуются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С — доэвтектические, от 4,3 до 6,67 %С — заэвтектические чугуны).
В двухфазных областях в любой точке возможно выяснить количество фаз и их концентрацию, применяя правило отрезков. К примеру, определим количество фаз и химический состав для сплава совокупности железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис. 47).
В данной области структурные составляющие аустенит и феррит. Совершим горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b?) показывает состав феррита, а проекция точки с (с?) – состав аустенита. Массовое содержание аустенита
а феррита –
Разглядим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих разное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали совершим для примера расчет числа степеней свободы по формуле с = k — f +1, где с — число степеней свободы, k —количество компонентов, f — число фаз.
Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 %С
(рис. 48), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В ходе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус ВС, а аустенита – по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 — 2 + 1 = 1 (два компонента – углерод и железо, две фазы – аустенит и жидкость), следовательно, процесс может идти со понижением температуры. По окончании затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 — 1 + 1 = 2 (два компонента – углерод и железо, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со понижением температуры.
В промежутке от точки 3 до точки 4 происходит превращение аустенита – выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной -0,8%С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 — 2 + 1 = 1 (два компонента — углерод и железо, две фазы — цементит и аустенит), следовательно, процесс может идти со понижением температуры.
При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4′) происходит эвтектоидное превращение A ФР +Ц аустенита в мелкодисперсную механическую смесь цементита и феррита, именуемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 — 3 + 1 = 0 (два компонента – углерод и железо, три фазы – аустенит, цементит и феррит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При предстоящем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4′ и 5 число степеней свободы с = 2 — 2 + 1 = 1 (два компонента – углерод и железо, две фазы – цементит и феррит), следовательно, процесс может идти со понижением температуры. Конечная структура Ф+П+Ц III (феррито-перлитная).
Количественное соотношение между перлитом и ферритом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).
Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис. 49) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BC, а аустенита — по линии JE. По окончании затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. При предстоящем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение.
Рис. 48. Сплав 1 (доэвтектоидная сталь) Рис. 49. Сплав 2 (заэвтектоидная сталь)
Солидус, ледебурит и ликвидус
