Понимание диаграммы состояния железо-углерод: ключевые идеи для металлургии

Диаграмма состояния железо-углерод

Диаграммы состояния — очень важные инструменты в изучении сплавов для решения многих практических проблем в металлургии. Эти диаграммы определяют области устойчивости фаз, которые могут существовать в сплавной системе при условии постоянного атмосферного давления. Для бинарной системы координатами этих диаграмм являются температура и состав. Взаимосвязи между фазами, температурой и составом в сплавной системе обычно представлены диаграммой состояния только при равновесных условиях. Такие условия возникают при медленных скоростях нагрева и охлаждения сплавов, когда кинетика превращений не играет важной роли.

В их простейшей форме железо и стали — сплавы железа (Fe) и углерода (C). Существует три типа ферристых сплавов: (1) железо с содержанием C менее 0.0008% при комнатной температуре, (2) стали с содержанием C от 0.008% до 2.14% (обычно менее 1%) и микроструктурой, состоящей из феррита и цементита, (3) чугуны с содержанием C от 2.14% до 6.7% (обычно менее 4.5%). Изучение конституции и структуры железа и сталей начинается с диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рис. 1). Диаграмма Fe-C также используется как основа для понимания процессов тепловой обработки.

Рис. 1 Диаграмма состояния железо-углерод

Влияние базовых особенностей Fe-C системы

Многие основные особенности Fe-C системы влияют на поведение даже самых сложных легированных железа и сталей. Например, фазы, найденные в простой бинарной Fe-C системе, сохраняются в сложных сталях, но необходимо изучать влияние легирующих элементов на образование и свойства этих фаз. Диаграмма Fe-C предоставляет ценную базу, на которой можно строить знания как о конструкционных, так и о легированных сталях.

Стабильная и метастабильная диаграммы

Диаграмма состояния железо-углерод на рис. 2 на самом деле показывает две диаграммы: (1) стабильную диаграмму железо-графит (красные линии), (2) и метастабильную диаграмму Fe-Fe₃C. Цеменит метастабилен, и настоящее равновесие должно быть между железом и графитом (C). Хотя графит широко встречается в чугунах, в сталях получить эту равновесную фазу обычно трудно. Стабильное состояние обычно требует очень долгого времени для развития, особенно в низкотемпературном и низкоуглеродистом диапазоне. Поэтому нормальная равновесная диаграмма, которая обычно используется, — это метастабильная диаграмма Fe-Fe₃C, так как она релевантна для поведения большинства сталей на практике.

Детали стабильной и метастабильной диаграмм состояния Fe-C системы, особенно на стороне богатого железом, известны гораздо лучше, чем любых других бинарных систем со схожей сложностью. Однако все еще существуют существенные области, где диаграмма состояния не была хорошо установлена, такие как в диапазонах температуры, состава и давления, не связанных напрямую с производством железа и стали.

Рис. 2 Железо-углеродная диаграмма, показывающая стабильные и метастабильные фазы

Важные металлургические фазы и микроструктурные составляющие

В системе Fe–Fe₃C углерод является интерстициальной примесью в Fe. Он образует твердый раствор с альфа (альфа-феррит), гамма (аустенит) и дельта (дельта-феррит) фазами железа. Это важные фазы в диаграмме Fe–Fe₃C. Между однофазными полями находятся области со смесями двух фаз, таких как феррит и цеменит, аустенит и цеменит, феррит и аустенит. При наивысших температурах можно найти поле жидкой фазы, а ниже — двухфазные поля: жидкая фаза и аустенит, жидкая фаза и цеменит, жидкая фаза и феррит. В тепловой обработке сталей жидкая фаза всегда избегается. В эвтектической точке (4.26% C) жидкий сплав при охлаждении непосредственно преобразуется в аустенит и цеменит без какого-либо двухфазного поля. Аналогично, в эвтектойдной точке (0.76% C) аустенитная фаза при охлаждении непосредственно преобразуется в феррит и цеменит без какого-либо двухфазного поля. Некоторым важным границам однофазных полей даны специальные названия, облегчающие понимание диаграммы.

Основные фазы железа и сталей в равновесии

• Феррит или альфа-железо фаза — устойчивая форма железа при комнатной температуре. Относительно мягкая низкотемпературная фаза и устойчивая равновесная фаза. Преобразуется в ФЦЦ аустенит (гамма-фаза) при 910 °C. Феррит — распространенный компонент в сталях и имеет ОЦК структуру, которая менее плотно упакована, чем ФЦК. Он мягкий, довольно пластичный. Магнитен ниже 768 °C. Имеет низкую прочность и хорошую вязкость.
• Аустенит или гамма-железо фаза — высокотемпературная фаза. Твердый раствор C в ФЦК железе. Имеет ФЦК структуру, которая является близкоупакованной структурой. Немагнитная и пластичная фаза. Преобразуется в ОЦК дельта-феррит при 1394 °C. Нестабильна ниже эвтектической температуры (727 °C), если не охлаждать быстро. Аустенит имеет хорошую прочность и вязкость.
• Дельта-феррит фаза — твердый раствор C в ОЦК железе. Устойчива только при температурах выше 1394 °C. Плавляется при 1538 °C. Имеет парамагнитные свойства.
• Цеменит — Fe₃C или карбид железа. Межметаллическое соединение Fe и C. Имеет сложную орторомбическую структуру и является метастабильной фазой. Твердая, хрупкая фаза. Имеет низкую предельную прочность на растяжение, хорошую предельную прочность на сжатие и низкую вязкость. Разлагается (очень медленно, в течение нескольких лет) в альфа-феррит и C (графит) в температурном диапазоне 650–700 °C.

Растворимость углерода и микроструктуры

Сравнивая аустенит с ферритом, растворимость углерода больше в аустените с максимальным значением 2.14% при 1148 °C. Эта высокая растворимость углерода в аустените чрезвычайно важна в тепловой обработке, когда растворительная обработка в аустените с последующей быстрой закалкой до комнатной температуры позволяет образование пересыщенного твердого раствора углерода в железе. Ферритная фаза ограничена максимальной растворимостью углерода 0.025% при 727 °C. Поскольку углеродный диапазон в обычных сталях составляет 0.05–1.5%, феррит обычно ассоциируется с цеменитом в той или иной форме. Аналогично, дельта-фаза очень ограничена и находится в температурном диапазоне 1394–1538 °C. Она полностью исчезает, когда содержание углерода достигает 0.5%.

Сплав эвтектойдного состава (0.76% C) при медленном охлаждении образует перлит — слоистую структуру двух фаз: альфа-феррит и цеменит. Перлит — фазовая смесь феррит-цеменит. Имеет характерный внешний вид и может рассматриваться как микроструктурная единица или микросоставляющая. Это агрегат чередующихся ферритных и цеменитных ламелл, который деградирует (сфероидизируется или грубеет) в частицы цеменита, диспергированные в ферритной матрице, после длительного выдерживания ниже 727 °C. Это эвтектойд и имеет ОЦК структуру. Частично растворимый раствор Fe и C. Механически перлит имеет свойства, промежуточные между мягким, пластичным ферритом и твердым, хрупким цеменитом. Имеет высокую прочность и низкую вязкость.

Гипоэвтектойдные сплавы содержат проэвтектойдный феррит (образующийся выше эвтектойдной температуры) вместе с эвтектойдным перлитом, содержащим эвтектойдный феррит и цеменит. Гиперэвтектойдные сплавы содержат проэвтектойдный цеменит (образующийся выше эвтектойдной температуры) вместе с перлитом, содержащим эвтектойдный феррит и цеменит.

Неравновесные микроструктуры

При неравновесной кристаллизации Fe-C системы могут образовываться дополнительные типы микроструктур. Некоторые из них:

• Байнит — фаза между перлитом и мартенситом. Твердая метастабильная микросоставляющая, состоящая из неламеллярной смеси феррита и цеменита в экстремально мелком масштабе. Верхний байнит образуется при более высоких температурах и имеет перообразный вид. Нижний байнит образуется при более низких температурах и имеет игольчатый вид. Твердость байнита увеличивается с понижением температуры его образования. Имеет хорошую прочность и вязкость.
• Мартенсит — очень твердая форма кристаллической структуры стали. Назван в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса. Образуется быстрым охлаждением, твердая и хрупкая. ОЦТ (body-centered tetragonal) форма железа, в которой растворен немного углерод. Образуется при закалке, когда фоноцентрическая кубическая решетка аустенита искажается в тетрагональную объемно-центрированную структуру без потери содержащихся атомов углерода в цеменит и феррит. Пересыщенный раствор атомов C в феррите. Твердая метастабильная фаза. Имеет латовидную морфологию при C < 0.6%, пластинчатую при C > 1%, смесь между ними. Обладает высокой прочностью и твердостью и низкой вязкостью.
• Сорбит/троостит — структуры нижней перлитной стадии с очень мелкими пластинками называются сорбитом и трооститом. Это трансформационные структуры перлитной стадии, соответствующие увеличивающимся скоростям охлаждения. Однако изменяет структурное соотношение и образование перлита относительно расстояния между пластинками. Структуру нельзя увидеть под оптическим микроскопом.
• Видманштеттеновский феррит — получается, когда гипоэвтектойдная конструкционная сталь быстро охлаждается из температуры выше А₃. Из-за быстрого охлаждения мало времени доступно для нуклеации кристаллов феррита не только на границе зерна, но и внутри крупных аустенитных зерен. Они быстро растут в некоторых предпочтительных кристаллических направлениях внутри зерна и становятся вытянутыми. Структура либо в виде иголок (латы), либо пластин, стремящихся выстроиться в одном направлении внутри одного зерна.

Важные температуры и критические точки

В диаграмме Fe-C существует множество температур и критических точек, важных как с базовой, так и с практической точек зрения. Это температуры, при которых при охлаждении или нагреве происходят фазовые и магнитные превращения. Температуры, при которых превращения происходят в твердом теле, называются критическими температурами или критическими точками. Основные температуры и критические точки:

• Температура A₀ — температура Кюри, когда при нагреве происходит магнитное в немагнитное изменение цеменита. Структура может развивать дефекты: дислокации, разрывы, вакансии. Цеменит металлический и ферромагнитный с температурой Кюри около 210 °C. При легировании металлические примеси замещают железо; меньшие атомы, такие как бор, замещают углерод в интерстициальных позициях.
• Температура A₁ — температура (727 °C), при которой происходит эвтектойдное превращение. При этой температуре перлит превращается в аустенит при нагреве и наоборот.
• Температура A₂ — температура Кюри феррита (768 °C), где ферромагнитный феррит при нагреве превращается в парамагнитный. При этой температуре изменение микроструктуры не задействовано.
• Температура A₃ — температура, при которой феррит начинает образовываться из аустенита при охлаждении гипоэвтектойдной стали или последние следы свободного феррита превращаются в аустенит при нагреве. Таким образом, это температура, соответствующая границе гамма + альфа / гамма для гипоэвтектойдной стали, и функция содержания углерода в стали, уменьшающаяся от 910 °C при 0% C до 727 °C при 0.76% C. Также называется верхней критической температурой гипоэвтектойдных сталей. Температурный интервал между A₁ и A₃ называется критическим диапазоном, в котором аустенит существует в равновесии с ферритом.
• Температура Acm — температура, в гиперэвтектойдной стали, при которой проэвтектойдный цеменит начинает образовываться (при охлаждении) из аустенита. Представляет температуру границы гамма/гамма + Fe₃C и является функцией углерода. Линия Acm иллюстрирует, что твердая растворимость углерода в аустените очень быстро уменьшается от максимума 2.14% при 1148 °C до максимума 0.76% при 727 °C из-за большей стабильности цеменита при низких температурах. Излишек углерода выпадает из аустенита как проэвтектойдный цеменит в гиперэвтектойдных сталях (также называемый вторичным цеменитом в чугунах). Разделение цеменита из аустенита (при охлаждении) сопровождается выделением тепла.
• Температура A₄ — температура, при которой аустенит преобразуется в дельта-железо. Наименьшее значение для этой температуры — 1394 °C для чистого железа. Эта температура увеличивается с увеличением процента углерода.
• Температура Ms — температура, при которой начинается превращение аустенита в мартенсит при охлаждении.
• Температура Mf — температура, при которой образование мартенсита завершается при охлаждении. Все изменения, кроме образования мартенсита, происходят при более низких температурах при охлаждении, чем при нагреве, и зависят от скорости изменения температуры.

Превращения аустенит-феррит и аустенит-цеменит

Превращение аустенит-феррит — при равновесных условиях проэвтектойдный феррит образуется в сплавах железо-углерод, содержащих до 0.76% углерода. Реакция происходит при 910 °C в чистом железе, но в сплавах Fe-C происходит между 910 °C и 727 °C. Однако закалкой из аустенитного состояния до температур ниже эвтектойдной, феррит может образовываться до температур 600 °C. Существуют выраженные морфологические изменения по мере понижения температуры превращения, которые обычно применимы в общем к гипоэвтектойдным и гиперэвтектойдным фазам, хотя в каждом случае есть вариации из-за точной кристаллографии участвующих фаз. Например, те же принципы применяются к образованию цеменита из аустенита, но не трудно отличить феррит от цеменита морфологически.

Превращение аустенит-цеменит — существуют разные морфологии цеменита, образующиеся при последовательно понижающихся температурах превращения. Начальное развитие зернограничных алломорфов очень похоже на феррит, и рост боковых пластин или видманштеттеновского цеменита следует тому же образцу. Алломорф имеет форму, не отражающую его внутреннюю кристаллическую симметрию. Это связано с тем, что он имеет тенденцию нуклеационироваться на поверхностях зерен аустенита, формируя слои, следующие контурам зернограниц. Цеменитные пластины более строго кристаллографичны по форме, несмотря на то, что ориентационное отношение с аустенитом более сложно. Как и в случае с ферритом, большинство боковых пластин происходят из зернограничных алломорфов, но в реакции цеменита больше боковых пластин нуклеационируются на границах сдвоения в аустените.

Реакция аустенит-перлит

Перлит — наиболее знакомая микроструктура в диаграме состояния железо-углерод. Открыт Сорби более столетия назад, кто верно предположил, что это ламеллярная смесь железа и карбида железа. Очень распространенный компонент широкого спектра сталей, где он дает существенный вклад в прочность. Ламеллярные эвтектойдные структуры этого типа широко распространены в металлургии сталей. Эти структуры имеют много общего с реакциями клеточного выпадения. Оба типа реакций происходят путем нуклеации и роста, и, следовательно, контролируются диффузией. Ядра перлита возникают на границах зерен аустенита, но ясно, что они могут также ассоциироваться как с проэвтектойдным ферритом, так и с цеменитом. В коммерческих сталях перлитные нодулы могут нуклеационироваться на включениях.