Диаграмма состояния сплава железа с углеродом

В технике применяется огромное количество различных сплавов. Чтобы изучить все существующие сплавы и их свойства, необходимо запоминать большое количество цифр. Облегчить эту работу удалось с помощью диаграмм состояния сплава. Диаграмма состояния сплава — эго схематическое изображение состояния сплава при различных температурах. Диаграмма охватывает ряд сплавов, которые могут быть получены из двух и более компонентов. По такой диаграмме можно определить критические температуры (точки) сплава и структурные превращения в твердом состоянии, а также сделать выбор режима термической обработки сплава.

Диаграмма состояния железо—углерод впервые была построена в 1899 г. По вертикальной линии диаграммы откладывается температура в градусах, по горизонтальной — содержание углерода в процентах. Сплавы, содержащие до 2% углерода, называются сталями, свыше 2% (до 6,67%) — чугунами. Наличие в сплаве железа с углеродом небольших количеств обычных примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) существенно не влияет на положение критических точек на диаграмме, поэтому углеродистые стали всегда рассматривают как двойной сплав железа с углеродом.

Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии и представляет собой раствор углерода в железе. Линия АС характеризует начало, а линия АЕ — конец затвердевания сплава. Все линии, расположенные ниже липни АЕ, соответствуют изменениям, которые происходят в стали в твердом состоянии. При температурах выше линий GOS и SE существует одна фаза — аустенит. По линии 60S из аустенита начинает выделяться чистое железо (феррит), а по линии SE — цементит. По линии Р1 оставшийся аустенит превращается в смесь феррита с перлитом (в районе линии PS) в чистый перлит (под точкой S) или в смесь цементита с перлитом в районе линии SK.

Для примера возьмем сталь с содержанием углерода 0,2% и проследим, что происходит с нею при охлаждении. Если провести на диаграмме вертикальную линию из точки, соответствующей содержанию углерода 0,2%, то точки пересечения этой линии с кривыми диаграммы будут критическими. В них начинается или заканчивается превращение в данном сплаве.

При температуре, соответствующей точке 5 на диаграмме, в жидком сплаве начинают образовываться кристаллы твердого металла. Образование кристаллов продолжается при понижении температуры до точки 4. В точке 4 весь сплав затвердевает и при более низких температурах превращается в аустенит. При дальнейшем понижении температуры до точки 3 аустенит сохраняется и только в точке 3 в сплаве начнется образование феррита. Этой температуре соответствует критическая точка А3 данного сплава. Выделение феррита заканчивается при температуре Ах (точка 1 на линии PS/C). В точке 2 нового превращения не происходит — немагнитная сталь ниже температуры 768 гр.С становится магнитной.

При охлаждении сплава с малой скоростью ниже температуры 723° С (точка 1) никаких структурных изменений ие произойдет. При больших скоростях охлаждения стали ниже температуры 723 гр.С может образоваться мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе. Это объясняется тем, чго углерод при быстром охлаждении не успевает выделяться из феррита и атомы углерода остаются в решетке альфа-железа.

На примере рассмотренных превращений видно, что аустенит неустойчив и существует в сплаве железа с углеродом только а определенном интервале температур. В сплаве, содержащем 0,2% углерода, аустенит существует в интервале температур oт 1520 до 870 гр.С, при температуре ниже 870 гр.С он начинает распадаться. В сплаве с содержанием углерода 0,8% аустенит существует в интервале температур от 1400 до 723 гр.С.

Введение легирующих элементов влияет па положение критических точек и линий диаграммы состояния железо-углерод. Например, железоуглеродистый сплав, легированный никелем, может сохранять аустенитную структуру даже после охлаждения.
Превращения в сталях, легированных одним элементом, изучают по тройным диаграммам: железо—углерод — легирующий ллгменг; легированных двумя элементами — па четверных диаграммах и т. д. Но тройными и четверными диаграммами пользоваться на практике очень трудно. Поэтому при изучении легированных сталей пользуются двойными диаграммами состояния ;келезо-легирующий элемент и рассматривают влияние легирующих элементов на положение точек и линий диаграммы состояния железо—углерод, или рассматривают разрез тройной (четверной) диаграммы с определенным содержанием основных легирующих элементов.