Таблицы фазовых превращений сталей

Введение: диаграмма железо-углерод и ее значение

Диаграмма железо-углерод (Fe-C) является фундаментальной основой материаловедения и металлургии, представляя собой графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Эта диаграмма иногда называется «диаграммой железо-цементит» (Fe-Fe₃C), поскольку в большинстве технических сплавов углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита (Fe₃C).

Диаграмма железо-углерод позволяет понять и предсказать структуру и свойства сталей и чугунов при различном содержании углерода и температурных условиях. Это необходимо для разработки режимов термической обработки, контроля структуры и свойств изделий из железоуглеродистых сплавов. Хотя на практике углеродистые стали и чугуны содержат различные легирующие элементы, базовые принципы фазовых превращений основаны именно на диаграмме Fe-C.

На практике используют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5%, поэтому наибольший интерес представляет часть диаграммы от чистого железа (0% С) до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются сталями, а с содержанием углерода более 2,14% – чугунами.

Основные понятия и компоненты диаграммы железо-углерод

Аллотропные формы железа

Железо является полиморфным металлом и существует в нескольких кристаллических модификациях при различных температурах:

1. α-железо (феррит) — существует от комнатной температуры до 911°C. Имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку. При температуре 768°C (точка Кюри, A₂) происходит изменение магнитных свойств — железо из ферромагнитного состояния переходит в парамагнитное, сохраняя кристаллическую структуру.

2. γ-железо (аустенит) — существует в интервале температур 911-1392°C. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, которая способна растворять значительно больше углерода, чем феррит.

3. δ-железо — существует в интервале температур 1392-1539°C (температура плавления). Имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку, аналогично α-железу.

Фазы железоуглеродистых сплавов

В железоуглеродистых сплавах в зависимости от температуры и концентрации углерода могут существовать следующие фазы:

Жидкая фаза (расплав) — существует выше линии ликвидус (ABCD). Представляет собой жидкий раствор углерода в железе. Концентрация углерода в жидкой фазе не ограничена.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Растворимость углерода в феррите крайне мала: максимально 0,025% при 727°C (точка P) и всего лишь 0,006% при комнатной температуре. Феррит мягок (твердость 80-100 HB), пластичен и обладает ферромагнитными свойствами до температуры 768°C.

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% при температуре 1147°C (точка E) и уменьшается с понижением температуры до 0,8% при 727°C (точка S). Аустенит немагнитен, имеет твердость 160-200 HB, относительно пластичен.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C). Содержание углерода постоянно и составляет 6,67%. Цементит имеет сложную ортогонрамбическую кристаллическую решетку. Обладает высокой твердостью (около 800 HB), хрупкостью и практически не имеет пластичности. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях может распадаться с образованием графита.

Структурные составляющие

Помимо отдельных фаз, в железоуглеродистых сплавах могут существовать структурные составляющие, представляющие собой смеси фаз:

Перлит (П) — эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Образуется при температуре 727°C (линия PSK) при распаде аустенита. Структурно представляет собой чередующиеся пластинки феррита и цементита. Обладает твердостью 180-250 HB и сочетает в себе прочность цементита и пластичность феррита. Перлит является основной структурной составляющей углеродистых сталей.

Ледебурит (Л) — эвтектическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Образуется при температуре 1147°C (линия ECF) при кристаллизации жидкой фазы. При дальнейшем охлаждении ниже 727°C аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит, и ледебурит состоит уже из перлита и цементита. Ледебурит является характерной структурной составляющей белых чугунов, придавая им высокую твердость и хрупкость.

Критические точки и линии диаграммы железо-углерод

Критические температуры

Критические точки – это температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах. Они обозначаются буквой А с соответствующим индексом:

A₁ (727°C) — температура эвтектоидного превращения (линия PSK), при которой происходит превращение аустенита в перлит (при охлаждении) или перлита в аустенит (при нагреве).

A₂ (768°C) — точка Кюри (линия MO), при которой происходит изменение магнитных свойств феррита без изменения кристаллической структуры.

A₃ — температура, соответствующая линии GS (911-727°C), при которой начинается превращение феррита в аустенит при нагреве доэвтектоидных сталей или завершается выделение феррита из аустенита при охлаждении.

Acm — температура, соответствующая линии SE (1147-727°C), при которой начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении заэвтектоидных сталей или завершается растворение цементита в аустените при нагреве.

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении несколько отличаются из-за явления гистерезиса, вводятся дополнительные буквенные обозначения:

• c — для температур фазовых переходов при нагреве (от фр. chauffage – нагрев), например, Ac₁, Ac₃;

• r — для температур фазовых переходов при охлаждении (от фр. refroidissement – охлаждение), например, Ar₁, Ar₃.

Фазовые превращения

На диаграмме железо-углерод выделяют несколько важных линий, соответствующих фазовым превращениям:

Линия ликвидус (ABCD) — определяет температуру начала кристаллизации сплава при охлаждении. Выше этой линии сплав находится полностью в жидком состоянии.

Линия солидус (AHJECF) — определяет температуру окончания кристаллизации сплава при охлаждении. Ниже этой линии сплав находится полностью в твердом состоянии.

Линия GS — показывает температуру начала превращения аустенита в феррит при охлаждении для доэвтектоидных сталей (0-0,8% С). При нагреве соответствует температуре полного превращения феррита в аустенит (точка Ac₃).

Линия SE — показывает изменение растворимости углерода в аустените с понижением температуры для заэвтектоидных сталей (0,8-2,14% С). При охлаждении ниже этой линии из аустенита выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита.

Линия PSK (727°C) — линия эвтектоидного превращения. При охлаждении ниже этой температуры аустенит с содержанием углерода 0,8% распадается на механическую смесь феррита и цементита — перлит.

Линия ECF (1147°C) — линия эвтектического (ледебуритного) превращения. При охлаждении ниже этой температуры жидкая фаза с содержанием углерода 4,3% кристаллизуется с образованием эвтектики — ледебурита (механической смеси аустенита и цементита).

Классификация сталей по содержанию углерода

В зависимости от содержания углерода и структуры при комнатной температуре, стали классифицируются следующим образом:

Низкоуглеродистые стали (0,025-0,3% C)

Низкоуглеродистые стали содержат от 0,025% до 0,3% углерода и состоят из феррита с небольшим количеством перлита. Их структура представляет собой зерна феррита (светлые участки) с включениями перлита (темные участки), причем с увеличением содержания углерода доля перлита возрастает.

Эти стали отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью, но относительно низкой прочностью. Твердость составляет 80-160 HB, предел прочности 320-500 МПа, относительное удлинение 20-40%.

Низкоуглеродистые стали широко применяются для изготовления листового проката, проволоки, труб, крепежных деталей, а также различных конструкционных элементов, не требующих высокой прочности.

Среднеуглеродистые стали (0,3-0,6% C)

Среднеуглеродистые стали содержат от 0,3% до 0,6% углерода и имеют структуру, состоящую из феррита и перлита примерно в равных количествах. С увеличением содержания углерода доля перлита увеличивается, а феррита уменьшается, что приводит к повышению прочности и твердости, но снижению пластичности.

Эти стали обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности. Твердость составляет 160-200 HB, предел прочности 500-650 МПа, относительное удлинение 16-22%. Они хорошо подвергаются термической обработке.

Среднеуглеродистые стали применяются для изготовления деталей машин, валов, осей, зубчатых колес, рычагов, болтов, гаек и других ответственных деталей, работающих при значительных нагрузках.

Высокоуглеродистые стали (0,6-0,8% C)

Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6% до 0,8% углерода и имеют структуру, состоящую преимущественно из перлита с небольшим количеством феррита. По мере приближения к содержанию углерода 0,8% доля перлита увеличивается, приближаясь к 100%.

Эти стали отличаются высокой прочностью и твердостью, но низкой пластичностью. Твердость составляет 180-240 HB, предел прочности 650-800 МПа, относительное удлинение 9-15%. Они хорошо поддаются закалке, но имеют пониженную свариваемость.

Высокоуглеродистые стали применяются для изготовления пружин, рессор, высоконагруженных деталей машин, требующих высокой прочности и износостойкости.

Заэвтектоидные стали (0,8-2,14% C)

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8% до 2,14% углерода и имеют структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита, выделяющегося в виде сетки по границам бывших аустенитных зерен или в виде игл внутри них. С увеличением содержания углерода количество вторичного цементита возрастает.

Эти стали характеризуются высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, но очень низкой пластичностью и ударной вязкостью. Твердость составляет 210-300 HB, предел прочности 700-900 МПа, относительное удлинение 5-10%.

Заэвтектоидные стали применяются в основном для изготовления инструментов (режущих, штамповых, измерительных), а также деталей, работающих в условиях интенсивного износа.

Фазовые превращения при нагреве стали

При нагреве сталей происходят фазовые превращения, которые определяются диаграммой железо-углерод и зависят от исходного содержания углерода.

Нагрев доэвтектоидных сталей (0,025-0,8% C)

При нагреве доэвтектоидной стали происходят следующие превращения:

1. При температуре A₁ (727°C) начинается превращение перлита в аустенит. В результате этого превращения структура стали будет состоять из аустенита (образовавшегося из перлита) и феррита.

2. В интервале температур между A₁ и A₃ происходит постепенное растворение феррита в аустените. С повышением температуры количество феррита уменьшается, а количество аустенита увеличивается.

3. При достижении температуры A₃ весь феррит растворяется в аустените, и структура стали будет состоять только из аустенита.

Превращение перлита в аустенит происходит с поглощением теплоты и сопровождается перестройкой кристаллической решетки из ОЦК (феррит) в ГЦК (аустенит).

Нагрев эвтектоидной стали (0,8% C)

При нагреве эвтектоидной стали процесс упрощается:

1. При температуре A₁ (727°C) происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается поглощением теплоты.

2. Выше температуры A₁ структура стали полностью состоит из аустенита.

В реальных условиях, при конечной скорости нагрева, перлит не сразу превращается в аустенит при 727°C. Для полного завершения этого превращения требуется некоторый перегрев выше критической точки.

Нагрев заэвтектоидных сталей (0,8-2,14% C)

При нагреве заэвтектоидной стали происходят следующие превращения:

1. При температуре A₁ (727°C) перлит превращается в аустенит. После этого превращения структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита.

2. В интервале температур между A₁ и Acm происходит постепенное растворение вторичного цементита в аустените. С повышением температуры количество цементита уменьшается, а количество аустенита увеличивается, причем аустенит обогащается углеродом.

3. При достижении температуры Acm весь вторичный цементит растворяется в аустените, и структура стали полностью состоит из аустенита с содержанием углерода, соответствующим исходному содержанию в стали.

Фазовые превращения при охлаждении стали

При охлаждении сталей происходят обратные фазовые превращения, также определяемые диаграммой железо-углерод.

Охлаждение доэвтектоидных сталей (0,025-0,8% C)

При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенитного состояния происходят следующие превращения:

1. При достижении температуры Ar₃ начинается выделение феррита из аустенита. Этот процесс происходит по границам зерен аустенита. По мере снижения температуры количество выделившегося феррита увеличивается, а оставшийся аустенит обогащается углеродом.

2. В интервале температур между Ar₃ и Ar₁ происходит дальнейшее выделение феррита и обогащение аустенита углеродом. При приближении к температуре Ar₁ содержание углерода в аустените достигает 0,8%.

3. При температуре Ar₁ (727°C) оставшийся аустенит, содержащий 0,8% углерода, превращается в перлит. После этого превращения структура стали состоит из феррита и перлита, причем количество перлита составляет (C%/0,8) × 100%, где C% — содержание углерода в стали.

Охлаждение эвтектоидной стали (0,8% C)

При охлаждении эвтектоидной стали из аустенитного состояния:

1. При температуре Ar₁ (727°C) аустенит, содержащий 0,8% углерода, превращается в перлит. Это превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты.

2. После этого превращения структура стали полностью состоит из перлита.

Превращение аустенита в перлит является диффузионным процессом и включает в себя перестройку кристаллической решетки из ГЦК (аустенит) в ОЦК (феррит) с одновременным выделением избыточного углерода в виде цементита.

Охлаждение заэвтектоидных сталей (0,8-2,14% C)

При охлаждении заэвтектоидной стали из аустенитного состояния происходят следующие превращения:

1. При достижении температуры Arcm начинается выделение вторичного цементита из аустенита. Этот процесс происходит преимущественно по границам зерен аустенита. По мере снижения температуры количество выделившегося цементита увеличивается, а содержание углерода в оставшемся аустените уменьшается.

2. В интервале температур между Arcm и Ar₁ происходит дальнейшее выделение цементита и обеднение аустенита углеродом. При приближении к температуре Ar₁ содержание углерода в аустените достигает 0,8%.

3. При температуре Ar₁ (727°C) оставшийся аустенит, содержащий 0,8% углерода, превращается в перлит. После этого превращения структура стали состоит из перлита и вторичного цементита, выделившегося по границам бывших зерен аустенита.

Практическое применение диаграммы железо-углерод

Диаграмма железо-углерод имеет огромное практическое значение для металлургии и материаловедения, поскольку позволяет понять и прогнозировать структуру и свойства сталей и чугунов.

Термическая обработка сталей

Знание диаграммы железо-углерод необходимо для разработки режимов термической обработки сталей, которая включает в себя такие процессы, как:

Отжиг — нагрев стали выше критической температуры (Ac₁ или Ac₃ в зависимости от содержания углерода) с последующим медленным охлаждением. Целью отжига является получение равновесной структуры, снижение твердости и улучшение обрабатываемости стали.

Нормализация — нагрев стали выше критической температуры (Ac₃ для доэвтектоидных и Accm для заэвтектоидных сталей) с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация обеспечивает получение более мелкозернистой и однородной структуры по сравнению с отжигом.

Закалка — нагрев стали выше критической температуры с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле или других охлаждающих средах). При закалке происходят не только фазовые превращения, предусмотренные диаграммой равновесия, но и образуются неравновесные структуры (мартенсит), обеспечивающие высокую твердость и прочность стали.

Отпуск — нагрев закаленной стали до температуры ниже критической (обычно 150-650°C) с целью снижения внутренних напряжений, повышения пластичности и вязкости при некотором снижении твердости и прочности.

Взаимосвязь структуры и свойств

Диаграмма железо-углерод позволяет понять взаимосвязь между структурой сталей и их свойствами:

1. Феррит обеспечивает пластичность и вязкость стали, но обладает относительно низкой прочностью и твердостью.

2. Цементит придает стали твердость и прочность, но увеличивает хрупкость.

3. Перлит, представляющий собой смесь феррита и цементита, обеспечивает промежуточные свойства между ферритом и цементитом. Чем тоньше пластинки цементита и феррита в перлите, тем выше твердость и прочность стали.

4. Аустенит обладает высокой пластичностью и вязкостью, но относительно низкой прочностью при комнатной температуре (если он сохраняется в метастабильном состоянии).

Понимание этих взаимосвязей позволяет целенаправленно изменять структуру сталей путем термической обработки или легирования для получения требуемого комплекса свойств.

Диаграмма железо-углерод является фундаментальной основой материаловедения сталей и чугунов. Несмотря на то, что на практике в сталях и чугунах всегда присутствуют другие элементы (как примеси, так и специально вводимые легирующие добавки), которые могут существенно изменять положение критических точек и характер фазовых превращений, основные закономерности, установленные диаграммой Fe-C, сохраняют свое значение.