Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод

Диаграмма состояния – фундамент понимания сталей

Изучение микроструктуры всех сталей обычно начинают с рассмотрения метастабильной диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рисунок). Ее также называют диаграммой состояния железо-цементит (железо-карбид железа). Эта диаграмма дает фундамент для понимания структуры и фазового состава как углеродистых, так и легированных сталей, а также различных термических обработок, которым они подвергаются. См., например, «работу» диаграммы состояния или, может быть,  правильнее фазовой диаграммы, при кристаллизации стали в статье «Литая структура стали«.

metastabilnaya-diagramma-zhelezo-uglerodРисунок – Метастабильная диаграмма состояния показывает какие фазы можно ожидать в стали при различных комбинациях содержания углерода и температуры. Иногда ее называют диаграммой состояния железо-цементит.

Растворимость углерода в аустените и феррите

В низкоуглеродистом левом крае метастабильной диаграммы железо-углерод мы видим феррит (альфа-железо), который имеет максимальную растворимость 0,022 % при температуре 727 °C и аустенит (гамма-железо), который растворяет 2,11 % углерода при температуре 1148 °C. Видно, что область аустенита (гамма-железа) намного больше по сравнению с областью феррита (альфа-железа). Это ясно указывает на значительное большую растворимость углерода в аустените с максимумом 2,11 % при температуре 1148 °C.

Упрочнение углеродистых сталей, как и многих других сталей, основано именно на этой разнице в растворимости углерода в альфа-железе (феррите) и гамма-железе (аустените).

В богатой углеродом стороне метастабильной диаграммы Fe-C мы находим цементит (Fe3C). Меньший интерес, за исключением высоколегированных сталей, представляет дельта-феррит при самых высоких температурах.

Однофазные области диаграммы

Подавляющее большинство сталей имеет только две аллотропических формы железа:

  • альфа-железо с объемноцентрированной кубической (ОЦК) атомной решеткой и
  • гамма-железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) атомной решеткой.

При комнатной температуре ОЦК феррит является устойчивым от температуры 912 °C (точка А3), при которой он превращается в ГЦК аустенит. Аустенит превращается обратно в феррит при температуре 1394 °C (точка А4).

Этот высокотемпературный феррит называют дельта-ферритом, несмотря на то, что его кристаллическая структура идентична той, что у альфа-феррита. Дельта-феррит остается устойчивым до того, как он расплавляется при температуре 1538 °C.

Двухфазные области диаграммы

Области со смесью двух фаз (таких как «феррит + цементит», «аустенит + цементит» и «феррит + аустенит» находятся между однофазными областями. При самых высоких температура находятся область жидкой фазы, а ниже ее – двухфазные области – «жидкость + аустенит», «жидкость + цементит» и жидкость + дельта-феррит». При термической обработке сталей всегда избегают возникновения жидкой фазы.

Стальной участок диаграммы

«Стальной» участок диаграммы состояния железо-углерод расположен в интервале содержания углерода от 0 до 2,08 %, а «чугунный» участок – от 2,08 до 6,67 % углерода.

«Стальной» участок диаграммы железо-углерод удобно делить по содержанию углерода на три части:

  • доэвтектоидное — от 0 до 0,77 % С;
  • эвтектоидное — 0,77 % С и
  • заэвтектоидное – от 0,77 до 2,11 % С.

Эвтектоидное превращение

Очень важное фазовое превращение метастабильной диаграммы состояния железо-углерод происходит при 0,77 % углерода. Это превращения является эвтектоидным, а его продукт называется перлитом (феррит + цементит):

Гамма-железо (аустенит) —> альфа-железо (феррит) + Fe3C (цементит)

Критические температуры стали

Наиболее важные границы однофазных областей имеют специальные названия, Они включают (в международных обозначениях):

  • А1 – эвтектоидная температура, которая является минимальной температурой для аустенита;
  • А3 – низкотемпературная граница аустенита при низком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + феррит»);
  • Асm – противоположная граница аустенитной области при высоком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + цементит).

Иногда к обозначениям этих температур добавляют буквы c, e и r, например, Ас1, Ас3 и Аccm. Буква с обозначает, что фазовые превращения происходят при нагреве, буква e – при равновесии фаз, а буква r – при охлаждении.

Влияние легирования на критические температуры

При добавлении в железо-углеродистый сплав (сталь) легирующих элементов положение границ А1, А3 и Аcm, а также эвтектоидное содержание углерода изменяются. В общем случае элементы, которые стабилизируют аустенит (никель, марганец, азот, медь) снижают температуру А1, тогда как элементы, которые стабилизируют феррит (хром, кремний, алюминий, титан, ниобий, молибден, вольфрам) повышают температуру А1.

Эвтектоидный перлит

Содержание углерода, при котором аустенит имеет минимальную температуру, называется эвтектоидным содержанием (0,77 % углерода по массе для случая метастабильной диаграммы состояния). Смесь ферритной и цементитной фаз при этом составе углерода, которая образуется при медленном охлаждении имеет характерную пластинчатую структуру, которую называют перлитом. Перлит представляет собой совокупность чередующихся пластин феррита и цементита. Эти пластины после выдержки при температуре близкой к А1 огрубляются («сфероидизируются») в цементитные частицы, распределенные в ферритной матрице.