Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной − железо-цементит и стабильной − железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.

Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 % С, цементит − 6,67 % С, жидкая фаза − от 2,14 до 6,67 % С, графит – 100 % C). Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.

Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис.4.1.

Линии диаграммы:

АВСВD (линия ликвидус − место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус − место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы.

Рис.4.1 Диаграмма состояния железо-цементит

Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода, соответственно, в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита − вторичным, из феррита − третичным.

Три горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре:

− при 1499 °С (HJB) происходит перитектическая реакция Ж_B +Ф_Н → AJ, в результате которой образуется аустенит;

− при 1147 °С (ECF) протекает эвтектическая реакция Ж_C → А_E + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом);

− при 727 °С (PSK) протекает эвтектоидная реакция A → Ф_Р + Ц (в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз). Продукт превращения − эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом.

Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение.

Однофазные области диаграммы Fe-Fe₃C:

− жидкий расплав (Ж) − выше линии АВСD;

− феррит (Ф) – области ANH и GPQ;

− аустенит (А) − область JESGN.

Двухфазные области диаграммы:

− AHB − в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ-феррита;

− NHJ − в равновесии кристаллы δ-феррита и аустенита;

− JECB − в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита;

− CDF − в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита;

− SECFK − в равновесии кристаллы аустенита и цементита;

− GSP − в равновесии кристаллы аустенита и α-феррита;

− QPSKL − в равновесии кристаллы феррита и цементита.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют техническим железом.

Сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С носят название сталей (от 0,02 до 0,8 % С − доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % С − заэвтектоидные стали).

Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 %С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические чугуны, от 4,3 до 6,67 % С − заэвтектические чугуны).

В двухфазных областях в любой точке можно определить количество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, определим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Использование правила отрезков для анализа диаграммы

В этой области структурные составляющие феррит и аустенит. Проведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b') указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с') – состав аустенита.

Массовое содержание: аустенита m_A = ba/bc * 100%,

феррита m_Q = ac/bc * 100%.

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле:

с = k – f + 1, (4.1)

где с – число степеней свободы;

k – количество компонентов;

f – число фаз.

Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С (рис. 4.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита − по линии солидус JE.

Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.

Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита, и число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.

Между точками 3 и 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, и число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.

При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (A → Ф_Р + Ц). В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре.

При дальнейшем 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 – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П + Ц_III (феррито-перлитная).

Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).

Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис. 4.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита − по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.

Рис.4.3. Процесс кристаллизации Рис.4.4. Процесс кристаллизации

доэвтектоидных сталей зазвтектоидных сталей

При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3-4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С.

На линии SK (на кривой − площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

При дальнейшем охлаждении ниже точки 4' из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П + Ц_II + Ц_III (перлито-цементитная).

Кристаллизация доэвтектических чугунов (рис. 4.5) начинается в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE , а жидкого расплава − линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3 % и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14 % С, и цементита), называемая ледебуритом L_C → А_E + Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение.

При дальнейшем охлаждении (участок 2-3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному.

В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3'). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Л_вид (П + Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А + Ц).

При дальнейшем охлаждении от точки 3' до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П + Л_вид + Ц_II (перлито-ледебурито-цементитная).

Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис. 4.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу − цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3 % С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита.

Рис.4.5. Процесс кристаллизации Рис. 4.6. Процесс кристаллизации

доэвтектических чугунов заэвтектических чугунов

При дальнейшем охлаждении (площадка 2-3) из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES .

При достижении температуры 727°С аустенит (площадка 3-3'), содержащий 0,8 % С, превращается в перлит A → Ф_Р + Ц и образуется видоизмененный ледебурит.

При дальнейшем охлаждении от точки 3' до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Л_вид + Ц_I + Ц_II (ледебуритно-цементитная).

Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14 % С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей − ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14 % С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или цементитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизмененного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.

Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.

Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.