Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 2 из 9)
Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии СS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) - как Аr1.
Таблица 1
Узловые точки диаграммы состояния системы Fе — Fе3С
| Обозначение точки | t,°С | С,% | Значение точки |
| А | 1539 | 0 | Плавление (кристаллизация) чистого железа |
| N | 1392 | 0 | Полиморфное превращение δ« γ в чистом железе |
| G | 911 | 0 | Полиморфное превращение α« γ в чистом железе |
| Н | 1499 | 0,1 | δ - твердый раствор, предельно насыщенный углеродом. Участвует в перитектическом превращении |
| J (I) | 1499 | 0,16 | Аустенит, возникающий в результате перитектического превращения |
| В | 1499 | 0,51 | Жидкая фаза, участвующая в перитектическом превращении |
| D | 1260 | 6,67 | Предполагаемая температура плавления Fе3С |
| Е | 1147 | 2,14 | Аустенит, предельно насыщенный углеродом |
| С | 1147 | 4,3 | Жидкая фаза, испытывающая эвтектическое превращение |
| F | 1147 | 6,67 | |
| P | 727 | 0,02 | Феррит, предельно насыщенный углеродом |
| S | 727 | 0,8 | Аустенит, испытывающий эвтектоидное превращение |
| K | 727 | 6,67 | |
| Q | 20 | 0,006 | Феррит, предельно насыщенный углеродом |
Значение линий диаграммы состояния системы Fе — Fе3С
Таблица 2
| Линии | Значение линии |
| АВ АН ВС J(I)Е СD НJВ ЕCF РSK (А1) HN JN (А4) ЕS (Аcm) GS (А3) GP PQ МО (А2) | Ликвидус для δ - твердого раствора Солидус для δ - твердого раствора Ликвидус для аустенита Солидус для аустенита Ликвидус для цементита (первичного) Перитектическое превращение: δн+Lв →γJ Эвтектическое превращение: Lс → (γ Е + Fе3С) Эвтектоидное превращение: γS → (αP + Fе3С) Начало полиморфного превращения δ→γ в сплавах при охлаждении Конец полиморфного превращения δ→γ в сплавах при охлаждении Линия предельной растворимости углерода в γ - Fе. Начало выделения цементита (вторичного) из аустенита при охлаждении Начало аллотропического превращения γ → α в сплавах при охлаждении. Начало выделения феррита из аустенита при охлаждении Линия предельной растворимости углерода в α - Fе Начало выделения цементита (третичного) из феррита при охлаждении Переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние (768ºС, т. Кюри) |
Прежде чем перейти к непосредственному разбору на конкретных примерах процессов фазовых превращений, совершающих в различных сплавах при их охлаждении и нагреве, необходимо сделать следующие замечания.
Всякая диаграмма состояния показывает условия равновесного сосуществования фаз во взятой системе компонентов.
Составы фаз при любой температуре удовлетворяют значениям, определяемым по сопряженным кривым только при условии установившегося физико-химического равновесия и при наличии плоской границы раздела фаз, т. е. при бесконечно большом радиусе кривизны этой поверхности. Если же поверхности раздела контактирующих фаз имеют иной (меньший) радиус кривизны, то создаются иные условия равновесия, в связи с чем изменяется взаимный ход соответствующей сопряженной пары кривых.
Полное физико-химическое равновесие между фазами может быть достигнуто только в специальных лабораторных условиях, а на практике некоторым приближением к этому состоянию может быть случай чрезвычайно медленного охлаждения или нагрева сплава с весьма длительными выдержками во времени при любых искомых температурах.
Условимся, что при разборе сплавов в процессе их превращения при нагреве или охлаждении каждое фиксируемое состояние фаз соответствует равновесному, вытекающему из соответствующих кривых, причем для взятой температуры найденные составы будут относиться ко всему объему фаз, а не только к пограничным контактирующим слоям, где фазовое равновесие устанавливается практически очень быстро. Кроме того, известно, что при всяком фазовом превращении происходит возникновение зародышевых центров и последующий их рост.
При этом термодинамика учит, что зародышевые центры, способные к дальнейшему росту, т. е. к развитию фазового превращения, могут возникать в исходной материнской фазе не при предельной температуре, определяемой по кривым диаграммы, где фазы находятся в равновесии, а при температуре несколько меньшей, т. е. при наличии некоторого переохлаждения.
Поэтому, когда будем говорить о том, что по достижении какой-то линии диаграммы при нагреве или при охлаждении начинается фазовое превращение, то это надо понимать условно, т.е., что они совершаются в «идеальных» условиях.
2.1. Первичная кристаллизация сталей
Рассмотрим первичную кристаллизацию сталей, для чего воспользуемся рис. 3.
Сплав 1 (0,05 % С). Кристаллизация начнется, в точке α и закончится в точке b с образованием δ - твердого раствора. Углерод повышает температуру аллотропического превращения железа δ↔γ. Эта перестройка решетки твердого раствора идет между точками с и d, когда одновременно существуют два разных твердых раствора (состав δ - раствора изменяется по линии НN, γ - раствора - по линии JN). Ниже точки d сплав охлаждается в аустенитном состоянии.
Рис. 3. Левый верхний угол диаграммы состояния Fе - С - первичная кристаллизация сталей.
Сплав 2 (0,13 % С). Кристаллизация δ - раствора начнется в точке е и закончится в точке k. При 1499°C происходит перитектическое превращение:
δH +LB→ γJ.
От точки k до точки п идет перестройка решетки δ→γ и, наконец, ниже точки п сплав охлаждается в аустенитном состоянии.
Сплав 3 (0,25 % С). Кристаллизация δ - раствора начинается в точке l и заканчивается в точке т. При 1499° C также происходит перитектическое превращение, по окончании которого в избытке оказывается жидкая фаза. От точки т до точки s продолжается кристаллизация аустенита из жидкой фазы. Ниже точки s сплав охлаждается в аустенитном состоянии.
Сплав 4 (0,6% С). Кристаллизация сплава начинается в точке g с образования аустенита и продолжается до точки h. Ниже этой точки сплав охлаждается в аустенитном состоянии.
Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием γ - фазы, т. е. аустенита.
Рассмотрим теперь превращения, происходящие в сталях при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии, т. е. вторичную кристаллизацию (рис. 4).
2.2. Вторичная кристаллизация сталей
Рис. 4. Нижний левый угол диаграммы состояния Fе - С - вторичная кристаллизация сталей.
Сплав 5 (0,3 % С). Выше точки а сплав находится в аустенитном состоянии. После окончания первичной кристаллизации аустенит охлаждается без каких-либо изменений. Углерод в сплавах понижает температуру полиморфного превращения γ→α. В сплаве 5 это превращение начнется на линии GS в точке а и будет развиваться далее с понижением температуры до точки е. Так в сплаве появляется феррит. Концентрация углерода в уменьшающемся по количеству аустените будет изменяться по линии GS (к точке S), а концентрация углерода в увеличивающемся по количеству феррите - по линии GP (к точке Р). Из приведенных ранее данных известно, что количество углерода в ферритной фазе весьма мало, поэтому выделение феррита должно вызывать заметное увеличение содержания углерода в аустените, что и происходит.