Фазовая диаграмма железо-углерод: глубокий анализ кристаллизации, структур и практического значения, Материаловедение

Изучение фазовой диаграммы железо-углерод (Fe-C) — это краеугольный камень в фундаменте материаловедения и металлургии. Она служит не просто графическим представлением, но и путеводителем, позволяющим понять, как изменение температуры и концентрации углерода влияет на внутреннюю архитектуру, а следовательно, и на конечные свойства сталей и чугунов. Без глубокого осмысления этой диаграммы невозможно ни предсказать поведение сплавов в различных условиях, ни целенаправленно создавать материалы с заданными характеристиками, ведь именно эти знания позволяют эффективно управлять свойствами металла. Данный реферат призван всесторонне раскрыть эту фундаментальную тему, начиная с базовых составляющих и заканчивая нюансами неравновесных превращений и их практическим применением.

Полиморфизм железа и его роль

В основе сложных взаимодействий в системе железо-углерод лежит уникальное свойство чистого железа — полиморфизм, или аллотропия. Железо способно изменять свою кристаллическую структуру в зависимости от температуры, что напрямую влияет на его способность растворять углерод и, как следствие, на фазовый состав и свойства сплавов. До температуры в 911°С железо существует в модификации α-Fe, обладающей объёмно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой. Этот вид железа, известный как феррит, имеет ограниченную способность к растворению углерода. При нагреве выше 911°С и до 1392°С α-железо переходит в γ-Fe с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой. Эта модификация, называемая аустенитом, значительно увеличивает свою способность растворять углерод, что обусловлено более «открытой» структурой ГЦК решетки, позволяющей атомам углерода занимать междоузлия. При дальнейшем повышении температуры, в интервале от 1392°С до 1539°С, железо вновь возвращается к ОЦК решетке, образуя δ-железо, или δ-феррит, с пониженной растворимостью углерода. Эти полиморфные превращения железа являются ключевыми для понимания всех дальнейших фазовых изменений в железоуглеродистых сплавах, поскольку они задают базовые условия для всех последующих фазовых переходов.

Основные фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Для полного понимания фазовой диаграммы железо-углерод необходимо глубоко разобраться в природе её основных составляющих — фаз и структурных компонентов. Каждая из них обладает уникальным химическим составом, кристаллической структурой и, что наиболее важно, характерными физико-механическими свойствами, определяющими поведение сплава в целом, что позволяет инженерам целенаправленно манипулировать ими для достижения заданных характеристик.

Феррит (α-Fe, δ-Fe)

Феррит, обозначаемый как α-Fe, представляет собой твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе, характеризующийся объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Эта структура определяет его относительно низкую прочность и высокую пластичность. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном α-феррите невелика: она достигает максимума в 0,02% при температуре 727°С (точка P на диаграмме) и снижается до ничтожных 0,006% при комнатной температуре. Это означает, что в большинстве углеродистых сталей при нормальных условиях свободного углерода в феррите крайне мало. Высокотемпературный δ-феррит, или δ-железо, существует в интервале температур от 1392°С до 1539°С и также имеет ОЦК решётку. Его предельная растворимость углерода выше, чем у низкотемпературного α-феррита, достигая 0,1% при 1499°С (точка J).

С точки зрения механических свойств, феррит является наиболее мягкой и пластичной фазой в железоуглеродистых сплавах. Он обладает твёрдостью до 80 HB, пределом прочности (σ_в) около 250 МПа, а также высокой пластичностью: относительное удлинение (δ) составляет до 50%, а сужение (ψ) — до 80%. Его модуль упругости в стали в среднем равен 190 ГПа. Плотность чистого железа (феррита) при комнатной температуре составляет примерно 7,87 г/см³. Важной характеристикой является его ферромагнитность, которая сохраняется до температуры Кюри (А₂), равной 768°С.

Аустенит (γ-Fe)

Аустенит, или γ-Fe, является твёрдым раствором внедрения углерода в γ-железе, обладающим гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Эта структура позволяет ему растворять значительно больше углерода по сравнению с ферритом. Максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% при 1147°С (линия ES). Аустенит существует в температурном интервале от 911°С до 1392°С (для чистого железа), а в сплавах с углеродом его температурный диапазон расширяется.

В отличие от феррита, аустенит является немагнитной фазой. Он характеризуется более высокой твёрдостью (160-200 HB), хорошей вязкостью и сопротивляемостью истиранию. Важно отметить, что высокая износостойкость легированных аустенитных сталей (например, азотистого хромистого аустенита) обусловлена не только повышенной исходной твёрдостью (33-37 HRC) по сравнению с углеродистым марганцевым аустенитом (18-22 HRC), но и значительной способностью к деформационному упрочнению под воздействием абразивных частиц. Для аустенитных нержавеющих сталей твёрдость обычно находится в диапазоне 70-90 HRB.

Цементит (Fe₃C)

Цементит, обозначаемый химической формулой Fe₃C, — это химическое соединение железа с углеродом, более известное как карбид железа. Он содержит строго определённое количество углерода — 6,67%. Цементит обладает сложной орторомбической кристаллической решёткой, что отличает его от простых твёрдых растворов. Ключевые характеристики цементита — это его исключительная твёрдость (порядка 800 HB) и крайняя хрупкость, пластичность его практически равна нулю. Именно благодаря цементиту многие железоуглеродистые сплавы приобретают высокую твёрдость и износостойкость.

Цементит является метастабильной фазой, что означает его потенциальную способность к распаду. При определённых условиях, особенно при длительной выдержке при высоких температурах или в присутствии графитизирующих элементов, цементит может распадаться с образованием свободного углерода в виде графита. Температура разложения цементита составляет примерно 1250-1300°С. В зависимости от условий образования различают несколько видов цементита:

Первичный цементит (Ц_I): Выделяется непосредственно из жидкой фазы при кристаллизации чугунов с высоким содержанием углерода.
Вторичный цементит (Ц_II): Выделяется из аустенита при охлаждении, когда его растворимость в аустените снижается.
Третичный цементит (Ц_III): Выделяется из феррита при дальнейшем охлаждении ниже температуры эвтектоидного превращения.

Перлит

Перлит — это эвтектоидная механическая смесь двух фаз: феррита (α-Fe) и цементита (Fe₃C). Он образуется в результате распада аустенита с содержанием 0,8% углерода при медленном охлаждении ниже 727°С (линия PSK на диаграмме). Назван он так из-за своего характерного перламутрового блеска на полированной поверхности, вызванного чередованием тонких пластинок феррита и цементита. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%. Механические свойства перлита зависят от дисперсности его структуры, то есть от межпластинчатого расстояния между слоями феррита и цементита. Чем меньше это расстояние (выше дисперсность), тем выше прочность и твёрдость перлита. Так, прочность перлита (σ_в) варьируется от 550 до 1300 МПа, пластичность (δ) от 5 до 20%, а твёрдость от 160 до 260 HB. Более дисперсные разновидности перлита, такие как сорбит и троостит, образующиеся при умеренных скоростях охлаждения, имеют твёрдость 300 HB и 400 HB соответственно, и прочность до 1000-1400 МПа, а также более низкую критическую температуру хладноломкости, что повышает их вязкость.

Ледебурит

Ледебурит — это эвтектическая механическая смесь, которая образуется непосредственно из жидкого расплава при строго определённой температуре 1147°С и содержании углерода 4,3%. Эта фазовая составляющая характерна для чугунов. При температурах выше 727°С ледебурит состоит из аустенита и цементита. Однако при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры аустенит, входящий в его состав, претерпевает эвтектоидное превращение и распадается на перлит. Таким образом, при нормальной температуре ледебурит состоит из перлита и цементита и называется превращённым ледебуритом (Л_пр).

Благодаря значительному содержанию цементита, ледебурит обладает очень высокой твёрдостью (около 700 HB) и крайней хрупкостью, что делает сплавы с его присутствием (белые чугуны) труднообрабатываемыми и склонными к разрушению.

Графит

Графит (Г) представляет собой свободный углерод, который может присутствовать в структуре чугунов. В отличие от цементита, графит является более стабильной формой существования углерода в железоуглеродистых сплавах. Его образование происходит по стабильной диаграмме железо-графит, особенно при медленном охлаждении и наличии графитизирующих элементов. Морфология (форма) графитовых включений оказывает критическое влияние на механические свойства чугунов:

Пластинчатый графит (характерный для серого чугуна) приводит к значительному снижению прочности (150-240 МПа) и пластичности (до 0,7%), поскольку острые края пластинок действуют как концентраторы напряжений, способствуя образованию и распространению трещин.
Шаровидный графит (в высокопрочном чугуне), напротив, существенно улучшает механические свойства, обеспечивая предел прочности при растяжении до 420 МПа и относительное удлинение до 10%. Такие показатели сопоставимы с низкоуглеродистой сталью, что делает высокопрочный чугун ценным конструкционным материалом.
Хлопьевидный графит (в ковком чугуне) также способствует повышению прочности и пластичности по сравнению с пластинчатым.

Выбор условий кристаллизации и модифицирование чугуна позволяют контролировать форму графита, тем самым целенаправленно регулируя механические свойства конечного продукта.

Фазовая диаграмма железо-углерод: ключевые положения, точки и линии

Фазовая диаграмма железо-углерод (Fe-C), часто называемая диаграммой железо-цементит (Fe-Fe₃C), является фундаментальным инструментом для металлургов и материаловедов. Она графически иллюстрирует фазовое состояние сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава (содержания углерода) и температуры, позволяя прогнозировать изменения в микроструктуре материалов при различных условиях нагрева и охлаждения.

Метастабильная и стабильная диаграммы

Важно различать две основные диаграммы, описывающие систему железо-углерод:

Метастабильная диаграмма «железо-карбид железа» (Fe-Fe₃C): Эта диаграмма описывает превращения, в которых углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа — цементита (Fe₃C). Именно эта диаграмма имеет наибольшее практическое значение для большинства технических сплавов, включая стали и белые чугуны, так как в условиях обычной металлургической практики превращения чаще всего реализуются по метастабильному пути. Метастабильная диаграмма обычно рассматривается до 6,67% углерода, что соответствует содержанию углерода в цементите.
Стабильная диаграмма «железо-графит» (Fe-Г): Эта диаграмма описывает превращения, при которых углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Она актуальна для серых чугунов, где процессы графитизации являются доминирующими. Переход между метастабильной и стабильной системами определяется такими факторами, как скорость охлаждения, наличие графитизирующих или отбеливающих элементов и температура.

Классификация сплавов по диаграмме

На основе фазовой диаграммы железо-углерод все железоуглеродистые сплавы традиционно делятся на две основные группы:

Стали: Это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. Они характеризуются высокой прочностью и пластичностью.
Чугуны: Это сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14% до 6,67% углерода. Чугуны, как правило, более твёрдые и хрупкие по сравнению со сталями.

Отдельно выделяют техническое железо, которое представляет собой очень чистый сплав с содержанием углерода до 0,02%. Техническое железо, или АРМКО-железо, — это низкоуглеродистая нелегированная сталь с общим содержанием примесей около 0,16%, при этом содержание углерода обычно не превышает 0,025% (в некоторых стандартах до 0,01%). Оно содержит 99,8-99,9% Fe.

Критические точки

Критические точки на диаграмме Fe-Fe₃C обозначают температуры и концентрации углерода, при которых происходят важные фазовые превращения:

Точка A (1539°C): Температура плавления чистого железа.
Точка D (1260°C): Ориентировочная температура плавления цементита. Важно отметить, что цементит (Fe₃C) является метастабильной фазой, которая инконгруэнтно плавится (разлагается) при температурах около 1250-1300°С.
Точка B (0,51% C, 1499°C): Соответствует содержанию углерода в жидкой фазе, участвующей в перитектическом превращении.
Точка C (4,3% C, 1147°C): Эвтектическая точка. Здесь происходит одновременная кристаллизация жидкой фазы в эвтектическую смесь (ледебурит), состоящую из аустенита и цементита.
Точка E (2,14% C, 1147°C): Максимальное содержание углерода в аустените, образующемся в результате эвтектического превращения. Эта точка также является условной границей между сталями и чугунами.
Точка S (0,8% C, 727°C): Эвтектоидная точка. Здесь аустенит с содержанием 0,8% углерода претерпевает эвтектоидное превращение, распадаясь на перлит (смесь феррита и цементита).
Точка P (0,02% C, 727°C): Максимальная растворимость углерода в α-феррите.
Точка Q (0,006% C, 20°C): Растворимость углерода в феррите при комнатной температуре.
Точка K (6,67% C, 727°C): Соответствует составу цементита (Fe₃C).
Точка M (0% C, 768°C): Точка Кюри для чистого железа, где происходит изменение магнитных свойств феррита (переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние) без изменения кристаллической структуры.

Основные линии

Каждая линия на диаграмме Fe-Fe₃C имеет определённое значение:

Линия ABCD (Ликвидус): Эта линия показывает температуры начала затвердевания (или конца плавления) сплавов при охлаждении. Выше этой линии сплавы находятся в полностью жидком состоянии.
Линия AHTJECF (Солидус): Эта линия показывает температуры конца затвердевания (или начала плавления) сплавов. Ниже этой линии сплавы находятся в полностью твёрдом состоянии.
Линия AH: Отражает предельную растворимость углерода в высокотемпературном δ-феррите.
Линия HN: Обозначает образование аустенита в результате перитектического превращения.
Линия NJ: Представляет собой границу полиморфного превращения γ-Fe ↔ δ-Fe.
Линия ES: Обозначает предельную растворимость углерода в аустените. При охлаждении заэвтектоидных сталей ниже этой линии из аустенита начинает выделяться вторичный цементит.
Линия ECF (Горизонталь эвтектического превращения): Это горизонтальная линия при 1147°С, при которой происходит эвтектическое превращение: из жидкой фазы образуется эвтектика — ледебурит.
Линия PSK (Горизонталь эвтектоидного превращения): Это горизонтальная линия при 727°С, при которой происходит эвтектоидное превращение: аустенит распадается на перлит.
Линия GP: Показывает изменение растворимости углерода в α-феррите с понижением температуры.

Понимание этих точек и линий позволяет не только визуализировать фазовые состояния, но и прогнозировать микроструктуру, которая формируется в сплавах при различных режимах термической обработки.

Кристаллизация и фазовые превращения в сталях

Поведение сталей при охлаждении является сложным процессом, определяемым как первичной кристаллизацией из жидкого расплава, так и последующими фазовыми превращениями в твёрдом состоянии. Диаграмма железо-углерод позволяет наглядно проследить эти изменения, особенно при условии медленного, близкого к равновесному, охлаждения.

Первичная и вторичная кристаллизация

При производстве сталей процесс начинается с плавления исходных компонентов. Затем, при охлаждении расплава, происходит первичная кристаллизация. Этот этап характеризуется образованием твёрдых фаз непосредственно из жидкого металла. Для сталей кристаллизация начинается на линии ликвидуса (линия AC на диаграмме) и заключается в выделении кристаллов аустенита (γ-Fe) из жидкого сплава. По мере понижения температуры, согласно линии солидуса, расплав полностью затвердевает, формируя аустенитную структуру. Однако процесс формирования окончательной микроструктуры на этом не заканчивается. При дальнейшем снижении температуры, уже в твёрдом состоянии, происходят структурные изменения, которые называют вторичной кристаллизацией или фазовыми превращениями в твёрдом состоянии. Эти превращения обусловлены изменением растворимости углерода в аустените и его полиморфным распадом, что приводит к образованию новых, более стабильных фаз и структурных составляющих.

Доэвтектоидные стали (0,02-0,8% С)

Доэвтектоидные стали — это сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02% до 0,8% углерода. При их медленном охлаждении после полной первичной кристаллизации (то есть после прохождения линии солидуса) структура состоит целиком из аустенита.

Дальнейшие превращения происходят следующим образом:

Выделение избыточного феррита: При достижении температуры, соответствующей линии GOS на диаграмме, растворимость углерода в аустените начинает уменьшаться. В результате избыток железа, который не может удерживать углерод в новой концентрации, выделяется из аустенита в виде α-феррита. Этот феррит первоначально образуется по границам зёрен аустенита, а затем может расти и внутри зёрен. Выделение феррита приводит к постепенному обеднению оставшегося аустенита углеродом.
Эвтектоидное превращение: При температуре 727°С (горизонталь PSK) оставшийся аустенит, концентрация углерода в котором достигла эвтектоидного значения (0,8%), претерпевает эвтектоидное превращение. В ходе этого превращения аустенит одновременно распадается на механическую смесь феррита и цементита, известную как перлит.

Таким образом, при комнатной температуре структура доэвтектоидных сталей состоит из смеси феррита (образующегося как избыточная фаза) и перлита.

Эвтектоидные стали (0,8% С)

Эвтектоидные стали содержат ровно 0,8% углерода. Эти стали имеют уникальное поведение при охлаждении:

Полностью аустенитная структура: После первичной кристаллизации и медленного охлаждения эвтектоидная сталь полностью состоит из аустенита до температуры 727°С. В отличие от доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, в ней не выделяются избыточные фазы (феррит или цементит) до эвтектоидного превращения, поскольку состав аустенита точно соответствует эвтектоидному.
Эвтектоидное превращение в перлит: При 727°С (точка S) весь аустенит, не содержащий избыточных фаз, одновременно распадается, полностью превращаясь в перлит.

Следовательно, структура эвтектоидной стали при комнатной температуре состоит исключительно из перлита, обеспечивая оптимальное сочетание прочности и пластичности для многих применений.

Заэвтектоидные стали (0,8-2,14% С)

Заэвтектоидные стали — это сплавы с содержанием углерода от 0,8% до 2,14%. Их охлаждение также включает несколько этапов:

Полностью аустенитная структура: После первичной кристаллизации и медленного охлаждения, как и в других сталях, исходная структура полностью состоит из аустенита.
Выделение избыточного вторичного цементита: При достижении температуры, соответствующей линии SE на диаграмме, растворимость углерода в аустените начинает падать. Поскольку содержание углерода в этих сталях превышает эвтектоидное значение, избыток углерода выделяется из аустенита в виде вторичного цементита (Ц_II). Вторичный цементит обычно формирует тонкую сетку по границам зёрен аустенита. Этот процесс обедняет оставшийся аустенит углеродом, приближая его состав к эвтектоидному.
Эвтектоидное превращение: При температуре 727°С (горизонталь PSK) оставшийся аустенит, обеднённый углеродом до 0,8%, претерпевает эвтектоидное превращение, распадаясь на перлит.

Таким образом, при комнатной температуре структура заэвтектоидных сталей состоит из перлита и сетки вторичного цементита по границам зёрен. Присутствие цементитной сетки увеличивает твёрдость, но снижает пластичность и вязкость этих сталей.

Особенности кристаллизации чугунов

Чугуны, как сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% (до 6,67%) углерода, демонстрируют более сложное поведение при кристаллизации по сравнению со сталями. Это обусловлено их высоким содержанием углерода, которое может быть реализовано либо в связанном виде (цементит), либо в свободном (графит).

Влияние условий и химического состава на графитизацию

Кристаллизация чугунов может протекать по двум конкурирующим диаграммам: метастабильной (Fe-Fe₃C), приводящей к образованию цементита, и стабильной (Fe-Г), ведущей к образованию графита. Выбор пути кристаллизации определяется рядом факторов:

Скорость охлаждения: Это наиболее решающий фактор. При малых скоростях кристаллизации (до 10 К/мин), что характерно для медленного охлаждения в песчаных формах, углерод имеет достаточно времени для диффузии и выделяется из жидкой фазы в свободном состоянии в виде графита (графитизация). Напротив, при больших скоростях охлаждения, например, в металлических формах (увеличивающих скорость охлаждения примерно на 30% по сравнению с песчаными), диффузия углерода затруднена, и процесс протекает с выделением углерода в связанном состоянии – в виде цементита (отбеливание чугуна).
Химический состав: Некоторые легирующие элементы оказывают сильное влияние на процесс графитизации:
- Углерод и кремний: Являются мощными графитизирующими элементами, способствующими образованию графита и разложению цементита. Особенно сильное графитизирующее действие кремния объясняется его способностью уменьшать растворимость углерода в аустените и увеличивать температуру разложения цементита.
- Марганец: Напротив, затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна, поскольку образует устойчивые карбиды (Mn₃C, (Fe,Mn)₃C).
- Сера: Способствует отбеливанию чугуна и ухудшает его литейные свойства.
- Фосфор: Влияет на жидкотекучесть чугуна, улучшая её, но на процесс графитизации прямого влияния не оказывает. При содержании до 0,4-0,5% фосфор может повышать износостойкость чугунов за счёт образования фосфидной эвтектики.

Для оценки склонности чугуна к графитизации широко используется углеродный эквивалент (C_Э), который учитывает влияние основных легирующих элементов:

C_Э = C + 0,33%Si + 0,33%P + 0,4%S – 0,03%Mn

По этому показателю можно судить о склонности чугуна к образованию графита или цементита.

Белые чугуны

Белые чугуны — это сплавы, в которых весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C). Их излом имеет характерный белый цвет. Кристаллизация белых чугунов полностью протекает по метастабильной диаграмме Fe-Fe₃C. В зависимости от содержания углерода, различают следующие типы белых чугунов:

Доэвтектические белые чугуны (2,14-4,3% С): При охлаждении из жидкой фазы сначала выделяются кристаллы аустенита. При достижении температуры 1147°С оставшаяся жидкая фаза с 4,3% углерода претерпевает эвтектическое превращение, образуя ледебурит (смесь аустенита и цементита).
Эвтектические белые чугуны (4,3% С): Эти чугуны полностью кристаллизуются при 1147°С, образуя эвтектическую смесь — ледебурит.
Заэвтектические белые чугуны (4,3-6,67% С): При охлаждении из жидкой фазы сначала выделяется первичный цементит. При 1147°С оставшаяся жидкая фаза превращается в ледебурит.

При комнатной температуре ледебурит в белых чугунах состоит из перлита (продукта распада аустенита) и цементита. Высокое содержание цементита придаёт белым чугунам исключительную твёрдость (до 700 HB) и хрупкость, что делает их труднообрабатываемыми, но пригодными для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны

Серые чугуны — это сплавы, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде графита, как правило, пластинчатой формы. Их кристаллизация происходит по стабильной диаграмме Fe-Г. Ключевая особенность серых чугунов — это медленное охлаждение, которое способствует стабильному превращению аустенита в феррит и графит. Однако при более быстрых скоростях охлаждения распад аустенита может частично или полностью идти по метастабильной схеме с выделением цементита, который вместе с ферритом образует перлит. Таким образом, в серых чугунах часто наблюдается смешанная структура, содержащая графит, феррит и перлит.

Для улучшения механических свойств серых чугунов используется модифицирование — введение специальных добавок (модификаторов) в жидкий чугун. Это способствует измельчению пластинок графита или, что ещё более желательно, получению графита в форме шара. Для получения шаровидного графита (высокопрочный чугун) в жидкий чугун вводят модификаторы, такие как магний (в количестве 0,04-0,08%) или церий. Церий также способен нейтрализовать вредное влияние примесей, способствующих образованию пластинчатого графита, при его остаточном содержании не ниже 0,005%. Шаровидная форма графита минимизирует концентрацию напряжений и значительно повышает пластичность и прочность чугуна.

Нонвариантные реакции на диаграмме железо-углерод и их значение

На диаграмме железо-углерод существуют три ключевые нонвариантные реакции, то есть превращения, происходящие при постоянных температуре и составе фаз. Эти реакции имеют фундаментальное значение для формирования микроструктуры и свойств железоуглеродистых сплавов.

Перитектическая реакция

Перитектическая реакция протекает при температуре 1499°С и характерна для сплавов с относительно низким содержанием углерода — от 0,1% до 0,51% (горизонталь HJB на диаграмме).

Уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

Ж_0,51%C + δ-Fe_0,1%C → А_0,16%C

Это означает, что при данной температуре жидкая фаза с 0,51% углерода взаимодействует с высокотемпературным δ-ферритом, содержащим 0,1% углерода, образуя новый твёрдый раствор — аустенит с 0,16% углерода. Перитектическое превращение играет важную роль в кристаллизации доэвтектических сталей с низким содержанием углерода, влияя на размер зерна и однородность структуры.

Эвтектическая реакция

Эвтектическая реакция является одной из наиболее значимых для чугунов. Она происходит при температуре 1147°С для сплавов с содержанием углерода от 2,14% до 6,67% (горизонталь ECF на диаграмме).

Уравнение реакции:

Ж_4,3%C → А_2,14%C + Ц_6,67%C

В ходе этой реакции жидкая фаза, содержащая 4,3% углерода, одновременно кристаллизуется, образуя эвтектическую механическую смесь — ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита (с 2,14% углерода) и цементита (с 6,67% углерода). Эвтектическое превращение играет ключевую роль в формировании структуры чугунов, определяя их литейные свойства (температуру плавления, жидкотекучесть) и, как следствие, хрупкость. Чугуны, кристаллизующиеся с образованием ледебурита, отличаются высокой твёрдостью и низкой пластичностью.

Эвтектоидная реакция

Эвтектоидная реакция — это критическое превращение, происходящее в твёрдом состоянии, имеющее огромное значение для сталей и термической обработки. Она протекает при температуре 727°С для сплавов, содержащих свыше 0,02% углерода (практически для всех промышленных железоуглеродистых сплавов) по горизонтали PSK на диаграмме.

Уравнение реакции:

А_0,8%C → Ф_0,02%C + Ц_III(6,67%C)

При этой реакции твёрдый раствор аустенита, содержащий 0,8% углерода, распадается на эвтектоидную механическую смесь — перлит. Перлит состоит из феррита (с 0,02% углерода) и третичного цементита (с 6,67% углерода). Эвтектоидное превращение является одним из важнейших для формирования микроструктуры сталей и их механических свойств. Именно контроль над этим превращением позволяет получать широкий спектр свойств сталей через различные виды термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск). Изменение кинетики этого распада (например, при быстром охлаждении) приводит к образованию неравновесных структур, таких как мартенсит и бейнит, которые радикально меняют свойства стали.

Влияние скорости охлаждения на фазовые превращения и микроструктуру железоуглеродистых сплавов

Фазовая диаграмма железо-углерод, как уже было отмечено, описывает равновесные превращения, которые происходят при бесконечно медленном охлаждении. Однако на практике, особенно в условиях термической обработки, скорость охлаждения играет решающую роль, приводя к сдвигу равновесных превращений и образованию неравновесных, метастабильных структур, таких как мартенсит и бейнит.

Отличие равновесных и неравновесных превращений

При медленном, равновесном охлаждении атомы успевают диффундировать, перестраиваясь в наиболее стабильные фазы. В отличие от этого, при увеличении скорости охлаждения диффузионные процессы подавляются, что приводит к образованию структур, которые не являются стабильными при данной температуре, но устойчивы кинетически. Эти неравновесные превращения аустенита являются основой для формирования уникальных свойств сталей, достигаемых путём закалки и других видов термической обработки.

Мартенсит

Мартенсит — это одна из наиболее важных неравновесных структур, образующаяся при очень высоких скоростях охлаждения (закалке), когда диффузия атомов углерода из аустенита полностью подавляется.

Механизм образования: Мартенситное превращение является бездиффузионным сдвиговым процессом. Атомы железа и углерода не успевают переместиться на значительные расстояния, и происходит мгновенная, почти со скоростью звука, перестройка кристаллической решётки аустенита (ГЦК) в объёмно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) решётку. Мартенсит, по сути, представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.
Критическая скорость закалки (v_кр): Это минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до точки начала мартенситного превращения (M_н) и полностью превращается в мартенсит, избегая перлитного и бейнитного распадов. Для углеродистых сталей v_кр очень велика, достигая 160°С/с для эвтектоидной стали (0,8% С), и возрастает для сталей с меньшим содержанием углерода. Легирующие элементы значительно снижают v_кр, что облегчает закалку легированных сталей.
Интервал мартенситного превращения: Превращение происходит в определённом температурном интервале: от M_н (температура начала мартенситного превращения) до M_к (температура конца мартенситного превращения). Эти температуры зависят от содержания углерода в аустените: с увеличением содержания углерода M_н и M_к понижаются. Для сталей с содержанием углерода выше 0,6% температура M_к уходит в область отрицательных температур, что приводит к образованию остаточного аустенита — не превратившейся части аустенита, которая остаётся в структуре при комнатной температуре. Например, при 0,6-1,0% С количество остаточного аустенита может достигать 10%, а при 1,5% С — до 50%. Остаточный аустенит снижает твёрдость и стабильность свойств.
Свойства: Мартенсит обладает исключительной твёрдостью (до 65-67 HRC) и высокой прочностью, но его пластичность и вязкость крайне низки. Эта хрупкость обусловлена пересыщенностью углеродом и высокими внутренними напряжениями.
Изменение удельного объёма: Превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением удельного объёма. Эта разность возрастает от 0,00481 до 0,00619 см³/г для сталей с содержанием углерода 0,1% и 0,8% соответственно. Это увеличение объёма вызывает значительные внутренние напряжения, которые могут приводить к деформации изделий или образованию трещин при закалке.

Бейнит

Бейнит — это промежуточная структура, которая образуется при скоростях охлаждения, средних между теми, что приводят к перлитному и мартенситному превращениям. Образование бейнита является диффузионным превращением, но с ограниченной диффузией атомов углерода.

Условия образования: Бейнит формируется в интервале температур примерно от 550°С до M_н. В углеродистых сталях бейнит обычно образуется при изотермической выдержке (изотермическая закалка), а не при непрерывном охлаждении. Охлаждение для получения бейнита, как правило, осуществляется в масляных или соляных ваннах.
Разновидности бейнита: Различают два основных типа бейнита, зависящих от температуры образования:
- Верхний бейнит: Образуется при более высоких температурах (примерно 550-350°С). Он имеет характерное тёмное, перистое строение, состоящее из ферритных реек и выделений карбидов. Твёрдость верхнего бейнита составляет около 45 HRC.
- Нижний бейнит: Образуется при более низких температурах (примерно 350°С до M_н). Он имеет тёмное, игольчатое строение, характеризующееся высокой дисперсностью карбидной фазы и её равномерным распределением в ферритной матрице. Нижний бейнит обладает высокой твёрдостью (около 55 HRC), прочностью, а также значительно лучшей вязкостью и пластичностью по сравнению с мартенситом.
Зависимость от скорости охлаждения: Скорость охлаждения напрямую влияет на долю образующегося мартенсита и бейнита в структуре. Например, при очень высокой скорости охлаждения 100°С/с может образоваться 97-99% мартенсита. При более низкой скорости, например, 1,5°С/с, в структуре может присутствовать 52% мартенсита и 40% бейнита. Это позволяет инженерам точно контролировать микроструктуру и, соответственно, механические свойства сталей путём регулирования скорости охлаждения.

Практическое значение диаграммы состояния железо-углерод

Фазовая диаграмма железо-углерод — это не просто теоретическая схема, а один из самых востребованных и универсальных инструментов в арсенале инженеров, металлургов, кузнецов и термистов. Её практическое значение трудно переоценить, поскольку она позволяет предсказывать, контролировать и оптимизировать производственные процессы и свойства материалов.

Определение температурных режимов

Одним из наиболее фундаментальных примен��ний диаграммы является определение оптимальных температурных режимов для различных технологических операций:

Плавление и затвердевание: Диаграмма чётко указывает температуры начала и конца плавления для сплавов с различным содержанием углерода. Это критически важно для проектирования плавильных агрегатов, выбора температур разливки и контроля процессов кристаллизации в литейном производстве.
Горячая обработка давлением (ковка, штамповка, прокатка): Диаграмма позволяет определить температурные интервалы, в которых сталь обладает достаточной пластичностью для обработки давлением без риска разрушения или чрезмерного упрочнения. Верхний предел этих температур обычно на 100-200°С ниже линии солидуса, чтобы избежать перегрева и пережога металла. Нижний предел — на 50-100°С выше температуры рекристаллизации (для углеродистых сталей это примерно 75-40°С выше линии PSK). Например, для углеродистых инструментальных сталей (У7-У12) оптимальный интервал ковки составляет 1120-860°С. Работа в этих интервалах обеспечивает формирование требуемой микроструктуры и механических свойств.
Термическая обработка (отжиг, закалка, отпуск): Диаграмма является основой для назначения режимов термической обработки. Например, для полного отжига стали нагревают до температур выше линии GOS или SE, выдерживают, а затем медленно охлаждают для получения равновесной феррито-перлитной или перлитной структуры с низкой твёрдостью и высокой пластичностью, что улучшает её обрабатываемость резанием. Для закалки сталь нагревают до температур, обеспечивающих полное превращение в аустенит, а затем быстро охлаждают.

Выбор материалов и прогнозирование свойств

Понимание фазовой диаграммы позволяет инженерам:

Выбирать материалы с заданными свойствами: Зная требуемые механические свойства (прочность, твёрдость, пластичность) для конкретного применения, можно по диаграмме определить оптимальное содержание углерода и предполагаемую микроструктуру, а затем выбрать соответствующую марку стали или чугуна.
Прогнозировать микроструктуру сплавов: Диаграмма даёт возможность предвидеть, какая микроструктура сформируется в сплаве при различных условиях охлаждения, что критически важно для контроля качества продукции и предотвращения дефектов.

Разработка новых сплавов и технологий

Глубокое знание принципов, лежащих в основе диаграммы железо-углерод, является фундаментом для инноваций в материаловедении:

Создание новых сплавов: Инженеры и учёные используют диаграмму как отправную точку для разработки новых железоуглеродистых сплавов с улучшенными характеристиками. Ярким примером является высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ). Его создание стало возможным благодаря пониманию того, как модифицирование (например, введение магния или церия) влияет на графитизацию, изменяя форму графита с пластинчатой на шаровидную. Это позволило получить чугун, который по прочности и пластичности приближается к стали, значительно расширяя область его применения.
Оптимизация технологических процессов: На основе диаграммы разрабатываются новые режимы термической и термомеханической обработки, позволяющие получать уникальные комбинации свойств.

Регулирование структуры и свойств

Диаграмма позволяет целенаправленно регулировать микроструктуру и, следовательно, свойства материалов:

Управление графитизацией чугунов: В чугунах, изменяя скорость охлаждения и вводя модификаторы, можно контролировать степень графитизации и морфологию графитовых включений (пластинчатый, шаровидный, хлопьевидный), что напрямую влияет на твёрдость, прочность и пластичность.
Формирование высокопрочных структур в сталях: Знание кинетики превращений аустенита при различных скоростях охлаждения (перлит, бейнит, мартенсит) позволяет получать стали с высочайшей твёрдостью и прочностью путём закалки с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений и повышения вязкости.

Таким образом, фазовая диаграмма железо-углерод является не просто академическим рисунком, а живым, динамичным инструментом, который ежедневно используется для создания, обработки и улучшения материалов, формируя основу современной промышленности и технологий.

Заключение

Фазовая диаграмма железо-углерод представляет собой краеугольный камень в материаловедении, предлагая глубокое и всестороннее понимание сложного взаимодействия железа и углерода, которое лежит в основе формирования сталей и чугунов. От полиморфизма железа до многообразия структурных составляющих, таких как феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и графит, каждый элемент этой диаграммы раскрывает уникальные аспекты поведения материалов. Каково же, в итоге, фундаментальное значение этих знаний для прогресса в промышленности?

Мы детально рассмотрели характеристики каждой фазы, углубившись в их кристаллическую структуру, химический состав и механические свойства, что является ключом к прогнозированию и контролю поведения сплавов. Было подчёркнуто принципиальное различие между метастабильной (Fe-Fe₃C) и стабильной (Fe-Г) диаграммами, а также их роль в формировании белых и серых чугунов соответственно. Исследование процессов кристаллизации сталей (доэвтектоидных, эвтектоидных, заэвтектоидных) при медленном охлаждении показало, как последовательно образуются феррито-перлитные и перлитные структуры.

Особое внимание было уделено чугунам, где влияние скорости охлаждения и легирующих элементов на графитизацию является критически важным для определения конечных свойств. Были проанализированы нонвариантные реакции — перитектическая, эвтектическая и эвтектоидная, — каждая из которых является узловым пунктом, радикально изменяющим фазовый состав сплава.

Наконец, мы вышли за рамки равновесных процессов, изучив влияние скорости охлаждения на образование неравновесных структур: мартенсита и бейнита. Понимание кинетики этих превращений, их структурных особенностей и результирующих свойств является жизненно важным для инженеров, стремящихся к получению высокопрочных материалов.

Практическое значение фазовой диаграммы железо-углерод невозможно переоценить. Она служит незаменимым инструментом для выбора материалов, определения температурных режимов термической и механической обработки, а также для разработки новых сплавов с заданными характеристиками. Глубокое понимание представленных процессов является фундаментальным для любого специалиста в области материаловедения и металлургии, позволяя не только анализировать существующие материалы, но и активно участвовать в создании будущих технологических решений.

Список использованной литературы

Вейнберг, Ф. (ред.) Приборы и методы физического металловедения. Выпуск 1. М.: Мир, 1973.
Картонова, Л. В., Костин, А. В., Цветаева, В. Б. Лабораторный практикум по материаловедению. Владимир: Владимирский государственный университет, 2007. URL: http://elib.vlsu.ru/bitstream/123456789/2208/1/02391.pdf
Колесов, С.Н., Колесов, И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2008.
Шкуряков, Н.П., Рубцов, Э.Р. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Методические указания. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_20390161_67057030.pdf
Андрушевич, А.А., Романова, Т.К. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Лабораторный практикум. Минск: Белорусский государственный аграрный технический университет, 2009. URL: https://repo.bgatu.by/bitstream/handle/123456789/1083/materialovedenie.pdf?sequence=1
СТРУКТУРА СТАЛЕЙ: Методические указания. Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2009. URL: https://venec.ulstu.ru/lib/disk/2014/19.pdf
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ СПЛАВОВ Fe-Fe3C: Методические указания. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 2016. URL: https://www.sutd.ru/upload/iblock/e50/diagramma-sostoyaniy-splavov-fe-fe3c.pdf
Фролова, О. С. Материаловедение: учебно-методическое пособие. Южно-Сахалинск: Сахалинский государственный университет, 2016. URL: https://sakhgu.ru/upload/iblock/785/materialovedenie.pdf
Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Саратов: СГУ, 2017. URL: https://www.sgu.ru/sites/default/files/textdocs/2017-09-07/metodicheskoe_posobie_po_materialovedeniyu.pdf
Юрченко, А.Н. Фазовые превращения, структура и свойства среднеуглеродистых сталей с различным содержанием хрома, марганца и кремния: Диссертация. Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2017. URL: https://pstu.ru/files/326/file/dissert_yurchenko_an.pdf
Потехин, Б. А. Металловедение: учебное пособие. Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университет, 2019. URL: https://elib.usfeu.ru/bitstream/123456789/22982/1/Potexin%20B.A.%20Metallovedenie.pdf
Основные фазовые превращения (ФП) в сталях при ТО, 2020. URL: https://studfile.net/preview/440536/page:3/
Куклина, А.А. Расчетно-экспериментальная кинетика бейнитного превращения среднеуглеродистых конструкционных сталей в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении: Диссертация. Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2021. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/104332/1/978-5-7996-3392-4_2021.pdf
Абрамова, В. И. Специализированное материаловедение: учебно-методическое пособие. Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2022. URL: https://www.klgtu.ru/upload/iblock/d76/abramova-v.-i.-spetsializirovannoe-materialovedenie-uchebno-metodicheskoe-posobie-kaliningrad-izd-vo-fgbo.pdf
Марукович, Е. И., Стеценко, В. Ю., Стеценко, А. В. Наноструктурная кристаллизация чугунов. Литье и металлургия, 2022. URL: https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-37-39
Фазовая диаграмма железо-углерод. Дата публикации: 2023-11-21. URL: https://www.mgri.ru/upload/iblock/d71/4c6qg3q87z79h44x.pdf