Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Диаграмма железо–углерод — это фазовая карта системы Fe-C, показывающая, в каком состоянии находится сплав при конкретном сочетании температуры и концентрации углерода. Без понимания этой диаграммы невозможно грамотно назначить режим термической обработки: закалку, отжиг, нормализацию или отпуск. Именно она связывает химический состав стали с её структурой и свойствами.
Диаграмма состояния железо–углерод описывает равновесные фазовые превращения в сплавах железа с углеродом при концентрации последнего от 0 до 6,67 %. Именно при 6,67 % C образуется цементит — химическое соединение Fe3C, правая граница диаграммы. Весь диапазон разбивается на два класса материалов: стали (до 2,14 % C) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % C).
Теоретическая основа диаграммы — термодинамика фаз. Каждая точка на графике соответствует равновесному состоянию, достигаемому при бесконечно медленном охлаждении или нагреве. На практике реальные скорости охлаждения отклоняют систему от равновесия, что порождает метастабильные структуры — мартенсит, бейнит, — но диаграмма Fe-C остаётся отправной точкой любого расчёта режима Т/О.
Область применения диаграммы: выбор температуры нагрева под закалку и нормализацию, определение интервала горячей деформации, расчёт температур отжига, прогнозирование структуры после литья и сварки.
Линия ликвидус ограничивает однофазную жидкую область сверху. Выше этой линии сплав находится полностью в расплавленном состоянии. Линия проходит через характерные точки: A (1539 °C, 0 % C) — температура плавления чистого железа, B (≈1500 °C, 0,51 % C), C (1147 °C, 4,3 % C) — эвтектическая точка, D (1260 °C, 6,67 % C) — точка плавления цементита.
Линия солидус отделяет двухфазную область «жидкость + твёрдое» от полностью затвердевшего сплава. Ниже этой линии жидкая фаза исчезает. Отрезок ECF (1147 °C) — горизонтальная линия эвтектического превращения, при которой жидкость с 4,3 % C одновременно кристаллизуется в смесь аустенита и цементита, называемую ледебуритом.
Критические точки — это температуры фазовых переходов, принципиальные для назначения режимов термообработки. Знание каждой из них обязательно для термиста.
Феррит — твёрдый раствор углерода в α-железе с ОЦК-решёткой. Растворимость углерода в феррите крайне мала: максимум 0,02 % при 727 °C, при комнатной температуре — менее 0,006 %. Феррит мягкий (80–100 HB), пластичный, ферромагнитный ниже точки Кюри (770 °C). Именно он определяет пластичность низкоуглеродистых сталей.
Аустенит — твёрдый раствор углерода в γ-железе с ГЦК-решёткой. Стабилен в диапазоне 727–1147 °C для сталей. Максимальная растворимость углерода достигает 2,14 % при 1147 °C (точка E). Аустенит парамагнитен, пластичен при высоких температурах. Именно из аустенита при охлаждении формируются все конечные структуры: перлит, бейнит или мартенсит — в зависимости от скорости охлаждения.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом с содержанием 6,67 % C. Обладает высокой твёрдостью (800–850 HV) и хрупкостью. В диаграмме различают первичный цементит (выделяется из жидкости в чугунах), вторичный (из аустенита в заэвтектоидных сталях) и третичный (из феррита при охлаждении ниже 727 °C). Форма и распределение цементита определяют механические свойства стали.
Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся при 727 °C из аустенита с 0,8 % C. Твёрдость пластинчатого перлита — 180–250 HB. Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита (при высокой температуре) или перлита и цементита (ниже 727 °C), характерная для чугунов.
Температура нагрева под закалку выбирается выше критических точек A3 или Acm на 30–50 °C. Для доэвтектоидных сталей (менее 0,8 % C) — выше A3, чтобы получить однородный аустенит без избыточного феррита. Для заэвтектоидных сталей (более 0,8 % C) — нагрев выше A1, но ниже Acm, чтобы сохранить в структуре нерастворённый цементит, повышающий износостойкость.
Пример: сталь 45 (0,45 % C) имеет точку A3 ≈ 780 °C. Рабочая температура закалки — 820–840 °C. Сталь У10 (1,0 % C) закаливается при 760–780 °C — выше A1 (727 °C), но ниже Acm.
Полный отжиг проводят при температуре выше A3 на 20–30 °C с медленным охлаждением в печи. Цель — снятие напряжений, измельчение зерна, получение равновесной феррито-перлитной структуры. Нормализация отличается от полного отжига охлаждением на воздухе: скорость выше, структура дисперснее, твёрдость на 20–30 HB больше.
Горячую прокатку и ковку ведут в аустенитной области — выше линии GS, но ниже линии солидус. Нижняя граница деформации для углеродистых сталей — не ниже 800–850 °C, чтобы не допустить деформации двухфазной (аустенит + феррит) структуры и появления трещин. Верхняя граница ограничена пережогом и началом частичного оплавления по границам зёрен.
При цементации деталь нагревают до 900–950 °C — в аустенитную область, где растворимость углерода максимальна. Углерод диффундирует в поверхность, насыщая её до концентрации 0,8–1,1 % C. После цементации проводят закалку, ориентируясь на обновлённый состав поверхностного слоя по линиям диаграммы Fe-C.
Диаграмма железо–углерод — фундаментальный инструмент металловеда и термиста. Знание линий ликвидус и солидус, критических точек A1 (727 °C), A3, Acm и граничных значений по углероду (0,02 % — предел растворимости в феррите, 0,8 % — эвтектоид, 2,14 % — точка E, 4,3 % — эвтектика) позволяет обоснованно выбирать температуры нагрева и охлаждения при любом виде термической обработки. Практическое чтение диаграммы — это прямой путь от химического состава стали к прогнозируемой структуре и, следовательно, к требуемым механическим свойствам детали.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.