Железоуглеродистые сплавы – основные конструкционные материалы, которые используются в машиностроении, строительстве, транспорте и др. Изменяя состав и структуру, получают сплавы с самыми разнообразными свойствами, что и делает их универсальными конструкционными материалами.

О структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода
и температуры, а также о возможности изменения микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов, судят по диаграмме состояния системы «железо – углерод».

Железо имеет полиморфные модификации – альфа, гамма и дельта, с углеродом образует карбид Fe₃C, названный за высокую твёрдость цементитом. С углеродом железо образует твёрдые растворы внедрения с ограниченной растворимостью. Так, максимальная растворимость углерода в ?-железе и ?-железе, обладающих объемно-центрированной кубической решёткой, составляет 0,02 (при 723 °С) и 0,1 % (при 1 493 °С) соответственно (см. рис. 29, 30). Максимальная растворимость углерода в ?-железе, имеющего кубическую гранецентрированную решётку, – 2.14 % (при 1 147 °С). Твёрдый раствор углерода в ?-Fe называется аустенитом, в честь английского металлографа Roberts Austen. Твёрдый раствор в ?-железе (также в ?-железе) называют ферритом (от лат. Ferrum – железо).

Кристаллы ?-железа устойчивы от низких температур вплоть до 910 °C (по другим данным 911 °C), после чего при нагревании они превращаются в ?-кристаллы (см. рис. 29, 30). Выше 1 392 °C ?-модификация превращается в ?-модификацию, которую нередко обозначают как ?-железо. Кристаллы ? и ?, по существу, ничем не отличаются. Обозначение
?-железо оправдывается целью отличить кристаллы, образующиеся ниже области устойчивости ?-железа, от кристаллов с той же решёткой, но образующихся выше области устойчивости ?-формы.

Отметим, что ?-кристаллы сильно ферромагнитны. При 768–770 °C ферромагнетизм исчезает. Это давало повод считать, что выше и ниже указанной температурной границы железо находится в двух разных формах. Состояние железа в интервале 770–910 °C первоначально обозначали через ?. С появлением рентгеновского метода исследования было показано, что ?-кристаллы по строению идентичны ?-кристаллам. Это явилось убедительным фактом для утверждения о том, что считать ?-кристаллы, несмотря на разные магнитные свойства ?- и ?-кристаллов, самостоятельной фазой нет основания.

Имеются две диаграммы состояния сплавов железо – углерод: метастабильная, описывающая превращение в системе «железо – цементит» и стабильная, характеризующая превращения в системе «железо – графит». Обе эти диаграммы представлены на рис. 29, где штриховыми линиями обозначена диаграмма «железо – графит», а сплошными – диаграмма «железо – цементит».

Стабильные или метастабильные равновесия возникают в зависимости от скорости охлаждения. Образование графита связано со значительными перемещениями атомов углерода и железа. Если сплавы охлаждаются медленно, то атомы железа успевают удалиться из зон формирования графита. В этом случае возникают стабильные состояния. В реальных условиях, уже при скорости охлаждения 1–10 град/мин, малоподвижные атомы железа не успевают «подготовить место» для образования графита. Они практически остаются на месте, и в сплавах реализуются метастабильные равновесия в соответствии с диаграммой «железо – цементит». Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода реализуется и при ускоренном охлаждении.

Рис. 29. Диаграмма состояния железо – углерод: ж – жидкий раствор углерода в железе; ? – твёрдый раствор углерода в дельта-железе; ? – твёрдый раствор углерода в гамма-железе; ? – твёрдый раствор углерода в альфа-железе; Fe3C – карбид железа

Обе возможные диаграммы состояния (рис. 29) наложены одна на другую для наглядности. Видно, что линии железо-графит-
ной системы расположены выше линий железо-цементитной системы. Такое расположение линий указывает на то, что система «железо – графит» является более близкой к состоянию равновесия, чем система «железо – цементит». Поэтому представленную на рис. 29 диаграмму с двойными линиями следует рассматривать как проекцию на одну плоскость двух сечений пространственной диаграммы состояния «железо – углерод» при разных скоростях охлаждения. При средних скоростях охлаждения часть сплавов может закристаллизоваться по цементитному варианту, а часть – по графитному.

Разная скорость охлаждения сплавов – одна из причин того, что на диаграммах состояния, в том числе и в системе «железо – углерод», можно наблюдать несколько отличающиеся значения температур превращений и концентраций.

Таким образом, хотя образование карбида железа дает меньший выигрыш свободной энергии по сравнению с графитом, кинетическое образование цементита более вероятно.
В промышленных условиях превращения при кристаллизации низкоуглеродистых сплавов (сталей) происходят в соответствии с метастабильной диаграммой «железо – цементит». Рассмотрим эту диаграмму более подробно (рис. 30).

На диаграмме точка А отвечает температуре плавления железа – 1 539 °С. Кристаллизация сплавов с содержанием до 0,51 % С (точка В) начинается на линии АВ выделением из расплава кристаллов ?-феррита, состав которых определяется линией АН. Этот процесс кристаллизации проходит до конца, т. е. до полного исчезновения жидкого раствора, только у сплавов, содержащих не более 0,1 % С (точка Н).

При содержании углерода от 0,1 до 0,51 % С и температуре 1 493 °С (горизонталь НВ) протекает перитектическое превращение. В результате взаимодействия жидкого сплава Ж (на рис. 30 обозначен ж.с.) и ?-феррита Ф происходит образование новой фазы – аустенита А: Ж_в + Ф_н>А_J (индексы обозначают точки диаграммы, соответствующие составам фаз или структурных составляющих, которые участвуют в превращении).

Рис. 30. Структурная диаграмма состояния «железо – цементит» (слева – фрагмент диаграммы)

В сплаве, содержащем 0,18 % С (точка J) вся жидкая фаза Ж_в и все кристаллы
?-феррита Ф_н полностью расходуются на образование аустенита А_J. В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,18 % С, т. е. на участке HJ, при перитектическом превращении жидкая фаза расходуется полностью, а кристаллы ?-феррита остаются в избытке. Поэтому в результате перитектического превращения образуется двухфазная структура – А_J + Ф_H. В сплавах на участке JB, т. е. при содержании от 0,18 до 0,51 % С, при перитектическом превращении кристаллы ?-феррита расходуются полностью, а жидкость остается в избытке. Поэтому в результате этого превращения также образуется двухфазная структура, но состоять она будет из аустенита А_J и жидкости Ж_в.

Ниже линии ВС и до линии JEC при охлаждении из жидкого расплава выделяются кристаллы аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы меняется по линии ВС, а состав аустенита – по линии JE. В области ВСЕJ сплав состоит из двух фаз – жидкого сплава и аустенита. При достижении температуры 1 147 °С (линия EF) концентрация углерода в аустените составляет 2,14 % (точка Е), а концентрация углерода в жидкости – 4,3 % (точка С).

Ниже температур, соответствующих линии CD, и температур до линии CF из расплава выпадают кристаллы цементита Fe₃C, получившего название первичного (Ц_I). Состав жидкой фазы в процессе кристаллизации изменяется по линии CD. Следовательно, при температуре 1 147 °С и концентрации углерода 4,3 % расплав становится насыщенным как аустенитом, так и цементитом. Обе эти фазы будут одновременно кристаллизоваться из жидкого сплава, образуя механическую смесь – эвтектику, названную в честь германского металлурга А. Ledebur ледебуритом: Ж_С>А_Е+Fe₃C.

Таким образом, полное затвердевание сплавов системы «железо – цементит» происходит по линии солидуса AHJECF. Превращения в сплавах системы «железо – цементит»
в твердом состоянии связаны с полиморфизмом железа и различной растворимостью углерода в его модификациях.

При охлаждении сплавов, содержащих не более 0,18 % С, в области HJN, происходит превращение ?-феррита в аустенит. Линия NH – верхняя граница области сосуществования ?-феррита и аустенита, линия NJ – нижняя (окончание превращения ?-феррита в аустенит при охлаждении). Все сплавы в области, ограниченной сверху линиями NJ и JE, а в нижней части линиями GS и SE, являются однофазными с аустенитной структурой. При снижении температуры ниже линии GS из аустенита выделяется твердый раствор углерода
в ?-железе – феррит, а ниже линии SE – цементит Fe₃C, получивший название вторичного (Ц_II). В области GSP сплавы состоят из аустенита и феррита, а под линией SE (0,8–2,14 % С), но выше 723 °С – из аустенита и вторичного цементита, выделившегося при охлаждении в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл (пластин). Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3 % С, при температурах от 1 147 до 723 °С состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита (представляющего смесь аустенита и цементита
А + Ц), а содержащие больше 4,3 % С – из первичного цементита и ледебурита (также смесь А + Ц). Сплав с содержанием 4,3 % С соответствует ледебуриту (А + Ц, в температурном интервале 723–1 147 °С).

При 723 °С (линия PSK) аустенит распадается с образованием эвтектоида – механической смеси феррита и цементита, которая получила название перлита (указание на перламутровый отлив шлифа этой смеси при травлении):

А_S > Ф_р + Fe₃C.

Перлит чаще состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита, т. е. имеет пластинчатое строение. Толщина пластинок феррита и цементита находится в соотношении 7,3 : 1. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение (цементит образует сфероиды).

Ниже 723 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры:
· доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, – феррит + перлит;
· эвтектоидная сталь (0,8 % С) – перлит;
· заэвтектоидные стали (0,8–2,14 % С) – перлит + вторичный цементит;
· доэвтектические чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3 % С, – перлит + вторичный цементит + ледебурит (перлит + цементит);
· эвтектический чугун – ледебурит (перлит + цементит);
· заэвтектические чугуны (от 4,3 до 6,67 % С) – первичный цементит + ледебурит (перлит + цементит).
Читатель, по-видимому, обратил внимание на неоднозначность структуры ледебурита выше 723 °С (аустенит + цементит) и ниже этой температуры (перлит + цементит). Получается как бы два ледебурита. Положение осложняется тем, что иногда ледебурит однозначно определяется как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита с карбидом железа. Это определение соответствует диаграмме состояния в области температур 723–1 147 °С. При этом полезно заметить, что в зависимости от температуры содержание углерода в аустените изменяется в соответствии с линией SE.

При охлаждении, по достижении температуры 723 °С, как следует из диаграммы состояния, аустенит (подчеркнём входящий в состав ледебурита и обеднённый углеродом до эвтектоидного состава – 0,8 % С) превращается в перлит. Поэтому эвтектические сплавы (4,3 % С) ниже 723 °С являются смесью перлита эвтектоидного состава и цементита. Сплавы с такой структурой также называются ледебуритом.

Ниже 723 °С по линии PQ из феррита выделяется избыточный углерод в виде так называемого третичного цементита Fe₃C (Ц_III). При комнатной температуре концентрация углерода в a-феррите составляет 0,006 % (точка Q). В виде самостоятельной составляющей третичный цементит выделяется только в сплавах, содержащих не более 0,02 % С (технически чистое железо). При большем содержании углерода третичный цементит кристаллизуется на участках цементита, входящего в состав перлита.

В соответствии с изложенным выше принята следующая классификация сплавов системы «железо – цементит»:
· сплавы, содержащие не более 0,02 % С, называют техническим железом;
· сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14 % С, относят к сталям;
· сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода, называют чугуном.

Приняты следующие интернациональные обозначения критических точек в чистом железе и в сплавах железа с углеродом:
· А со значком внизу (2, 3 или 4) – точки превращения одной формы железа в другую, обнаруживаемые на кривых охлаждения или на кривых изменения какого-либо физического свойства в зависимости от температуры. Значки указывают порядковый номер превращения;
· значок 2 (А₂–768 °С) относится к магнитному превращению ?-железа. Критическую точку 768 °С, соответствующую переходу железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри. Первоначально, до рентгенографического исследования, как отмечено выше, ошибочно полагали, что выше 768 °С и ниже 910 °С железо находится в самостоятельной кристаллической модификации, которую обозначали через ?
(?-железо);
· значок 3 (А₃) относится к превращению ?-железо>?-железо. Модификация
?-железо существует при температурах ниже 910 °С;
· значок 4 (А₄) относится к превращению ?-железо>?-железо; ?-кристаллы устойчивы до температуры 1 392 °С; ?-железо, существующее в интервале 1 392–1 539 °С (температура плавления железа), как уже было сказано, нередко обозначают как ?-железо, поскольку ?- и ?-кристаллы имеют решётку объёмно-центрированного куба и, по существу, ничем не отличаются.

Так как при переходе из одной формы в другую железо способно к переохлаждению, то положение точек при нагревании и при охлаждении несколько отличается (явление гистерезиса). Превращение при нагревании обозначают буквой с (фр. chauffer), при охлаждении буквой r (фр. refroidir). Записывают превращения следующим образом: Ас₂, Аr₂, Ac₃, Ar₃, Ac₄, Ar₄;

· значки 0 и 1 относятся к превращениям, протекающим только в сплавах железа
с углеродом. Значок 0 (А₀ – 210 °С) относится к магнитному превращению цементита Fe₃C. Значок 1 (А₁ – 723 °С) относится к эвтектоидному превращению.

Критические точки, соответствующие линии GS, принято обозначать Аr₃ при охлаждении и Ас₃ при нагреве, а соответствующие линии PSK Ar₁ и Ac₁ соответственно. Критические точки, образующие линию SE, обозначают Acm.

Для обозначения твёрдых растворов углерода на основе ?, ? и ? форм железа принята та же символика, то есть ?, ? и ?. МО – линия магнитного превращения.

Кристаллизация сплавов железо-графит происходит аналогично кристаллизации сплавов железо-цементит согласно диаграмме, представленной на рис. 29. Различие заключается в том, что вместо цементита выделяется графит. При температурах, соответствующих линии C'D' , из жидкости кристаллизуется первичный графит. При 1 153 °С (линия E'C'F') образуется графитная эвтектика аустенит + графит. По линии S'E' выделяется вторичный графит, который наслаивается на имеющиеся графитные включения, не образуя самостоятельных выделений. При температуре 738 °С (линия P'S'K') образуется эвтектоид, представляющий смесь феррита и графита.

Процесс выделения в чугуне (стали) графита называют графитизацией. Как уже отмечалось, графит образуется только при очень малых скоростях охлаждения. Поэтому при эвтектической кристаллизации может выделяться:
· только графит; в этом случае чугун называют серым;
· только цементит; в этом случае чугун называют белым;
· и графит и цементит; в этом случае чугун называют половинчатым.
В чугунах, содержащих цементит, при длительном нагреве и высоких температурах протекает процесс графитизации.