Диаграмма Fe fe3c (железо-цементит) имеет чрезвычайно важное практическое значение. Ведь сплавы на основе железа и углерода – самый распространенный и широко используемый материал при изготовлении деталей машин и механизмов. Это обусловлено тем, что железная руда гораздо чаще встречается в природе, чем руды других металлов и элементы в чистом виде. Объемы выплавки черных сплавов на основе железа и углерода в десятки раз превышают объемы металлургического производства цветных металлов. Диаграмма Fe fe3c для стали и чугуна позволяет назначить режим закалки, отпуска и отжига деталей и заготовок. Ели делать это без учета особенностей строения и фазового состава, то полученные свойства, вероятней всего, не будут удовлетворять конструкторским требованиям, а сам материал будет либо очень твердым и хрупким, либо слишком пластичным и подверженным износу.
Исторический экскурс
Основоположником современной науки о металлах является Д. К. Чернов. Он внес огромный вклад в развитие науки о металлах. В 1868 году выходит его научный труд, посвященный проблемам получения изделий и стали и металлургическому производству. Все специалисты и историки технических наук единогласно утверждают, что эта работа положила начала систематическим и всеобъемлющим исследованиям сплавов на основе железа и углерода.
В упомянутой работе Чернов указывает на то, что для железоуглеродистых сплавов имеются некоторые критические значения температур, при достижении который свойства стали и чугуна меняются скачкообразно. Также он выявил зависимость положения критических точек от содержания углерода. Иными словами, ученый предпринял первые попытки построить диаграмму Fe fe3c.
Следует отдать должное Д. К. Чернову. Он смог, не имея под рукой никакого оборудования, определять положение критических точек. Он подметил, что при достижении определенных температур характер свечения испытываемых образцов менялся. Это обстоятельство и стало основой для более углубленного изучения свойств металлов и сплавов.
Названия фазам и компонентам железоуглеродистых сплавов были присвоены французским ученым Осмондом. Он, как и Чернов, смог определить и зафиксировать положения критических температурных точек. Только руководствовался он не цветами каления, а показаниями пирометра, который был изобретен незадолго до того, как он начал исследования.
Обобщить опыт своих коллег и построить диаграмму Fe fe3c, близкую к современному ее варианту, удалось немецкому ученому П. Геренсу в начале XX века.
Наиболее важные открытия были сделаны в последней четверти XIX столетия. Разумеется, технологии не стоят на месте, и сегодня исследователи располагают более совершенным оборудованием. И все же, сегодня можно говорить лишь о дополнении и уточнении информации по железоуглеродистым сплавам. Современная диаграмма Fe fe3c мало чем отличается от ее первых вариантов. В настоящее время могут вноситься лишь дополнения. Они хоть и важные (иногда), но никакой принципиально новой информации не несут.
Структурные составляющие диаграммы Fe fe3c
На рисунке изображена диаграмма железо-углерод. Растворимость углерода в цементите составляет 6,67% по массе и 25% по числу атомов. Сплавы, которые содержа более чем 7 процентов углерода, в технике не применяются и поэтому хорошо не изучены. Практическое применение в машиностроении и других отраслях народного хозяйства нашли лишь материалы с содержанием углерода до 6,67 процентов.
Выше ABCD сплав железа с углеродом находится в жидком агрегатном состоянии. Это так называемая линия ликвидуса. Ниже ломаной линии AHJECF весь сплав кристаллизуется. Таким образом, все сплавы ниже обозначенной линии существуют в твердом состоянии.
Железо, помимо способности образовывать с углеродом химические соединения (Fe3C в том числе), может, в зависимости от температуры, иметь различные кристаллические решетки (аллотропические модификации). С учетом этого, на диаграмме сплавов системы Fe fe3c выделяют следующие фазовые составляющие: аустенит, феррит, цементит и жидкая фаза.
Общие сведения об аустените
Аустенитом называется твердый раствор углерода в ферруме (железе) с ГЦК-решеткой. На диаграмме Fe fe3c аустенит ограничивается фигурой NJESG. Данная фаза обозначается большой буквой А, греческой буквой «гамма» γ, или химической формулой Feγ(C). Однако аустенит может существовать не только в чистом виде, но и образовывать смеси с другими структурными и фазовыми составляющими. Таким образом, область существования аустенита как такового не ограничивается контуром NJESG. При определенных температурах аустенит образуется при любой концентрации углерода (отличной от нуля, разумеется).
Общие сведения о феррите
Ферритом называют железо с объемно-центрированной кубической решеткой (обозначается символами Feα, просто α, или большой буквой «Ф»). Растворимость углерода в феррите незначительна (не более двух сотых процента). Если посмотреть на диаграмму Fe fe3c, то можно увидеть, что область феррита на ней обозначена контурами QPG и NHA. Однако отдельные ферритные зерна присутствуют и в других областях диаграммы. В частности, структурный состав доэвтектоидных (содержание углерода менее 0,8 в процентном соотношении) сталей – феррит + перлит. Следует отменить, что феррит в чистом виде присутствует и в перлите. Известно, что перлит представляет собой смесь тонких ферритных и цементитных пластин. Однако после определенной термической обработки эти пластины коагулируются (сворачиваются). Такая структура значительно улучшает обработку резанием.
Общие сведения о цементите
Цементит обладает очень большой твердостью. На диаграмме Fe fe3c для стали и чугуна этому химическому соединению соответствует вертикальная линия LKD. Таким образом, в цементите содержится порядка 7 % углерода (6,67, если быть точным). Химическая формула - Fe3C. Таким образом, в этом химическом соединении содержится 25 процентов атомов углерода, а все остальное – атомы железа (на один атом феррума приходится один атом карбона).
Общие сведения о жидкой фазе
Температура плавления сталей может быть различной. Чугуны же, как видно из диаграммы состояния Fe fe3c, начинают плавиться по достижении температуры примерно 1150 градусов по Цельсию (данное значение соответствует линии ECF на диаграмме). Следует отметить, что температур плавления чугунов значительно ниже температуры плавления сталей, что и обусловило использование высокоуглеродистых сплавов в качестве основных литейных материалов для получения изделий сложной геометрической формы.
Протекание перитектических реакций в железоуглеродистых сплавах
На диаграмме состояния Fe fe3c сразу бросаются в глаза три горизонтальных линии: PSK, ECF, а также HJB. Это лини, соответствующие так называемому перитектическому превращению.
В верхнем левом углу находится линии HJB. Она соответствует температуре примерно 1500 градусов Цельсия. Данное превращения претерпевают лишь сплавы железа с углеродом, содержание углерода в которых не превышает 0,5 процентов.
В результате охлаждения жидкого сплава ниже указанного температурного показателя (или даже при достижении температуры 1499 градусов по Цельсию) жидкость и феррит образуют аустенит. При различных концентрациях углерода результат превращения может быт разным: феррит + аустенит, 100% аустенита, а также жидкость + аустенит.
Схожая по механизму протекания нонвариантная реакция происходи и при пересечении горизонтальной линии ECF (соответствует температуре примерно 1150 градусов). В данном случае аустенит может образовывать смесь феррита и цементита. Эта горизонталь простирается лишь на чугунном участке диаграммы состояния сплавов Fe fe3c, то есть в сталях подобное превращения отсутствует. Полученная смесь носит название ледебурит (в честь открывшего данное превращение немецкого ученого Ледебура).
И наконец, третья горизонталь – PSK. Она соответствует температуре 727 градусов. Из аустенита при охлаждении выпадают феррит и цементит (Fe с Fe3C). Диаграмма состояния показывает, что превращения при пересечении данной линии характерно для всех участков. Однако следует помнить, что это справедливо лишь для сплавов железа с углеродом. Если сплав легируется дополнительными элементами (хром, марганец, никель и др.) то уже нельзя руководствоваться диаграммой сплава fe fe3c. Материаловедение и его современные методы не могут дать точного и исчерпывающего ответа на вопрос, почему это происходит. Следует сказать, что превращения происходит как при нагреве, так и при охлаждении сплава. Продуктом распада аустенита при охлаждении является так называемый перлит (смесь цементита и феррита). При нагреве, очевидно, происходит обратная реакция – цементит по определенному (довольно сложному) механизму растворяется в аустените.
Особенности кристаллизации сплавов стального участка диаграммы
Кристаллизация сплавов, которые содержат незначительное количество углерода (менее одной десятой доли процента) завершается при довольно высоких температурах и соответствует линии AH на диаграмме Fe fe3c. Кривая охлаждения строится по общепринятым нормам и правилам: при пересечении горизонтальных прямых чертится линии под углом 180 градусов (горизонталь). Это обусловлено так называемым физическим явлением выделения скрытой теплоты. Данное явление проявляется в том, что при падении охлаждении сплава в течении определенного времени температура остается неизменной. Разгадку следует искать в распределении свободной энергии свободных атомов.
В сплаве, содержащем 0,1 – 0,16 процентов углерода, кристаллы δ-железа с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой начинают выпадать при достижении линии AB. Упомянутые кристаллы возникают в жидкой фазе, а центрами кристаллизации являются неметаллические включения (это характерно для сплавов с любой концентрацией углерода). При дальнейшем охлаждении твердая фаза меняет состав по линии solidus, а жидкая – по liquidus. При достижении температуры в полторы тысячи градусов система находится в равновесии: содержание углерода – 0,1% в твердой фазе (соответствует точке Н), а в жидкой фазе – 0,51% (соответствует точке В). При данном значении температуры протекает ранее рассмотрено перитектическое превращение. В результате образуется твердая смесь кристаллов аустенита и феррита. Сплав, который содержит 0,16% углерода, в результате охлаждения и перитектического превращения содержит 100% аустенита, без ферритных включений.
В том случае, если содержание углерода в сплаве составляет 0,15 – 0,5%, то в результате охлаждения ниже 1500 градусов по Цельсию образуется твердая аустенитная фаза, однако в структуре по-прежнему остается определенное количество жидкости (оно зависит от процентной доли углерода). Полностью процесс кристаллизации завершится лишь при достижении линии солидус (JB) на диаграмме состояния Fe fe3c. Вычертить кривую охлаждения в данном случае можно руководствуясь общими установленными правилами их построения. Причем после полного затвердевания, сплав образуют однородную фазовую структуру, состоящую из аустенита.
Если содержание углерода в сплаве составляет от 0,51 до 2,14 %, то их кристаллизация происходит в интервале между ограничивающими линиями JE и BC. После пересечения линии BC появляются кристаллы аустенита, которые с понижением температуры растут. Соответственно, в процессе охлаждения концентрация углерода в жидкости меняется по линии ликвидус, а в аустените – по линии солидус.
Особенности кристаллизации чугунного участка диаграммы
Как известно, сплав железа с углеродом с содержанием последнего от 2,14 процента – это чугун. Такое разграничение не является случайным. Если вычертить диаграмму Fe fe3c, что становится ясным, что граница между сталями и чугуном соответствует максимальной растворимости углерода в аустените. Поэтому при кристаллизации и затвердевании сталей в их структуре отсутствует такая составляющая, как ледебурит (это механическая смесь перлитной и цементитной составляющих, названа в честь ученого Ледебура). Ледебурит отличается большой твердостью, и его наличие в структуре материала оказывает отрицательное влияние на ряд технологических свойств (прежде всего, способность деформироваться под действием нагрузок). С другой стороны, чугуны обладают очень хорошими литейными свойствами (жидкий чугун успевает заполнить все отдаленные полости литейной песчаной формы, прежде чем начнет затвердевать).
В зависимости от скорости и условий охлаждения, ледебурит может иметь различное строение. Так, при ускоренном охлаждении, формируется сотовый ледебурит. Это, по сути, пластины из цементита, на которых образовались аустенитные кристаллы. Пластинчатый ледебурит состоит из весьма тонких цементитных образований, разделенных между собой схожими по форме образованиями феррита. Если сделать шлиф образца эвтектического чугуна, который охлаждался с соблюдением определенных условий, отполировать и протравить его, то в объективе металлографического микроскопа можно будет увидеть пластинки феррита и цементита, чередующиеся между собой.
Структурные и фазовые превращения после затвердевания железоуглеродистых сплавов
Как было сказано ранее, железо обладает интересной особенностью – возможностью перестраивать атомы. Решетка феррума (железа) может быть ОЦК (объемно-центрированной) и ГЦК (гранецентрированной). Исследователи и ученые в области материаловедения утверждают, что в условиях сверхвысоких давления (несколько тысяч атмосфер и более), атомы железа также могут упорядочиваться и образовывать гексагональную плотноупакованную решетку.
Превращения затвердевшего сплава описываются следующими линиями диаграммы: NH, NJ, GO, OS.
Линия NH служит границей высокотемпературного феррита и аустенита. Когда сплав охлаждается, то из аустенита образуется феррит и цементит. Однако это справедливо лишь при очень маленьких скоростях охлаждения. Если скорость охлаждения будет выше критической, то по сдвиговому механизму будет образовываться метастабильный мартенсит с невероятно большими остаточными внутренними напряжениями.
Линия NJ также является своего рода границей существования феррита и аустенита. При достижении этой линии завершается процесс фазового превращения.
Линия МО соответствует температурному значению 727 градусов. В некоторых источниках она называется также точкой Кюри (в честь исследователя, открывшего данное явление). При нагреве выше температуры 727 градусов Цельсия, железо и сталь утрачивают свои магнитные свойства. Явление это очень интересное и в полной мере до сих пор не изучено.
Кривая GOS соответствует критическим температурам аустенитно-ферритного превращения. Точка АС3 на диаграмме Fe fe3c обозначает температуру, при которой начитает протекать превращение феррита в аустенит. А вот точка АС1 обозначает температуру, при которой начинает протекать обратное превращение – на границе зерен высокотемпературного аустенита зарождаются и растут перлитные образования. Дело в том, что на диаграмме линии обозначают равновесное состояние. И для того, чтобы начали протекать соответствующие превращения, необходимо обеспечить некоторое переохлаждение или наоборот – перегрев.
Сталь, содержащая 0,8% углерода, полностью состоит из перлита. Превращение перлита в аустенит и обратно в таких материалах протекает не одномоментно, а в температурном интервале. При этом постоянно происходит перераспределение углерода меду двумя фазами.
На диаграмме состояния системы Fe fe3c линия SE соответствует максимальной возможной растворимости углерода в растворе. Этим объясняется начало выделения из аустенита цементита. Цементит в данном случае принято называть вторичным, так как он выделяется из твердой фазы. При определенных концентрациях углерода (это касается чугунов) происходит выделения цементита из расплава. Такой цементит принято называть первичным. Существует также и третичный цементит. Но это уже отдельная тема. При достижении линии GP превращения аустенита в перлит завершается. Это если сплав охлаждается. При нагреве же все с точностью да наоборот – по достижении указанной линии на границах зерен начинают зарождаться и расти новые зерна аустенита.
Углерод, в зависимости от растворимости, может менять свою концентрацию и постепенно перераспределяется. Изменение содержания данного элемента происходит по линии PQ. Данная линия диаграммы Fe fe3c при охлаждении соответствует началу выделения цементита третичного. Данная фаза формируется, как правило, на границах фазового раздела. Разумеется, при нагреве эта линия будет соответствовать завершению растворения третичного цементита.
Если в сплаве содержится 0,2 процента углерода и менее, то такой материал назвать сталью будет не корректно. Правильное его название - техническое железо. Иногда в источниках литературы встречается аббревиатура АРМКО (от названия американской металлургической компании, которая впервые начала выпускать такой материал в промышленных масштабах). Техническое железо имеет низкий комплекс механических и физических свойств и не нашло широкого применения. Пожалуй, оно полезно лишь при проведении исследовательских работ (изучение влияния деформации на рекристаллизационные процессы, разработка новых режимов химико-термической обработки, исследование возможностей и закономерностей многокомпонентного диффузионного насыщения поверхностей изделий и так далее).
Графит в железоуглеродистых сплавах, в соответствии с диаграммой Fe fe3c, может выделяться как непосредственно из жидкости, так и из твердой фазы. Но второй вариант возможен лишь при проведении специальной термической обработки – диффузионного отжига. Такая обработка называется «графитизация».
Графитизирующий отжиг имеет очень важное значение на практике. Дело в том, что при первичной кристаллизации чугунов графит в них находится в связанном состоянии. Такие чугуны принято называть белыми. Они имеют высокую твердость, но очень хрупкие. Поэтому применения в технике не нашли. Их практически невозможно обрабатывать резанием. Подобные белые чугуны применяются лишь для изготовления сопла пескоструйных машин, так как обладают хорошей износостойкостью при трении. Отжиг же позволяет получить графитные включения. При этом технологические и эксплуатационные свойства такого чугуна значительно улучшаются. Следует отменить, что форма включений может быть разной. Она в значительной степени оказывает влияние на эксплуатационные и технологические свойства чугуна.
В зависимости от формы графитовых включений, чугун делится на серый (пластинчатая форма), ковкий (хлопьевидные графитовые включения) и ковкий (или бычий глаз – шарообразные включения). Форма определяется режимами отжига, а также присадками, добавляемыми в расплав.
