| Фазовые состояния железоуглеродистых сплавов |
Фазовые состояния железоуглеродистых сплавов при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (рис. 1) и метастабильного (рис. 2) равновесий. В стабильном состоянии в железоуглеродистых сплавах встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)
Рис. 1. Диаграммы стабильного равновесия.
Рис. 2. Диаграммы метастабильного равновесия.
Таблица 1
α-раствор (α-феррит), γ-раствор (аустенит) и δ-раствор (δ-феррит), и графит (Г). В метастабильном состоянии в железоуглеродистых сплавах встречаются Ж, (α-, γ-, δ-растворы и карбид железа Fe3C — цементит (Ц). Области устойчивости Ж. с. в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах.
При некоторых условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектич. равновесие δ + γ + Ж,
E’C’F’ — эвтектическое стабильное равновесие γ + Ж + Г;
при ECF — эвтектическое метастабильное равновесие γ + Ж + Ц;
при P'S'K' — эвтектоидное стабильное равновесие α + γ + Г', при PSK — эвтектоидное метастабильное равновесие α + γ + Ц.
Диаграммы а и б вычерчивают и в одной координатной системе (рис. 3). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ железоуглеродистых сплавов, содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.
Рис. 3.
Основной причиной появления в железоуглеродистых сплавах высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах α и γ связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении.
Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических железоуглеродистых сплавах встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe3P), окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al2O3, Cr2O3, TiO2 и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в железоуглеродистых сплавах в связи с магнитными превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).