Понимание диаграммы фаз железного углерода: всеобъемлющее руководство для инженеров-материалов

Диаграмма железно-углеродной фазы: ее роль в современной инженерии материалов

Фазовая диаграмма железо-углерода (Fe-C) остается краеугольным камнем физической металлургии, ежедневно используемой инженерами-материалами для прогнозирования микроструктурной эволюции при литье, формировании и термообработке. Эта диаграмма отображает равновесные фазы, присутствующие в железо-углеродных сплавах, как функцию температуры (по вертикальной оси) и содержания углерода (по горизонтальной оси, до 6,67 мас.% С, состав цементита). В то время как общая форма кажется простой, ее детали - эвтектоидная горизонтальная при 727 ° C, эвтектическая горизонтальная при 1147 ° C и различные однофазные и двухфазные поля - имеют ключ к контролю механических свойств сталей и чугунов. Освоение этой диаграммы необходимо для любого, кто работает с черными сплавами, от автомобильных компонентов трансмиссии до мостовых балок и хирургических инструментов.

Мощность фазовой диаграммы заключается в ее способности ответить на два критических вопроса: какие фазы существуют при заданной композиции и температуре, и как эти фазы изменяются при смене температуры. Например, сталь с 0,4% нагретого углерода выше 800 °C становится однофазным аустенитом, который затем может быть закален для образования мартенсита. Диаграмма также объясняет, почему чугуны (углерод > 2,11 %) могут затвердевать графитом вместо цементита, в зависимости от скорости охлаждения и легирующих элементов. Эта статья предоставляет всестороннее руководство по чтению и применению фазовой диаграммы Fe-C, с акцентом на практические решения, которые инженеры материалов принимают при выборе циклов термообработки и композиций сплавов.

Чтение диаграммы: оси, инвариантные точки и ключевые области

Фазовая диаграмма Fe-C построена с температурой (обычно в °C или °F) на оси y и концентрацией углерода (в весовых процентах) на оси x. Диаграмма простирается примерно до 6,67 мас.% C (композиция цементита, Fe]3]C. Самая левая граница при 0 % C представляет собой чистое железо, которое проявляет три аллотропа: альфа (феррит, BCC), гамма (аустенит, FCC) и дельта (высокотемпературный BCC). Углерод по существу интерстициален в этих решетках, а диапазоны стабильности аллотропов резко изменяются присутствием углерода.

Три инвариантные реакции

Три инвариантные реакции — точки, где три фазы сосуществуют при фиксированной температуре и составе — определяют основные особенности диаграммы:

Четвертый инвариант существует при 912 °C для чистого железа (температура A]3), но он не зависит от состава.Кроме того, при 770 °C (температура феррита Кюри) происходит магнитное преобразование, но это преобразование второго порядка и не всегда показано на фазовых диаграммах, предназначенных для анализа термообработки.

Ключевые поля фазы

Фазовое поле представляет собой область на диаграмме, где одна фаза или смесь двух фаз термодинамически стабильны. Основными полями являются:

Важно признать, что диаграмма, показанная в большинстве учебников, на самом деле является метастабильной диаграммой Fe-Fe3C, потому что цементит является метастабильной фазой, которая разлагается на графит за достаточное время (особенно в присутствии кремния). Стабильная графит-железная диаграмма, более актуальная для серых чугунов, имеет эвтектическую композицию, сдвинутую до ~4,2 мас.% C и эвтектоида до ~0,68 мас.% C. Инженеры-материалисты должны понимать, какая диаграмма применима к их условиям процесса.

Подробные фазы: структура, свойства и возникновение

Каждая фаза, встречающаяся в системе Fe-C, обладает различными кристаллографическими и механическими характеристиками, которые инженеры используют через управление микроструктурой.

Феррит (α-Fe)

Феррит имеет кубическую решетку с центром тела (BCC) и является стабильной фазой чистого железа при комнатной температуре. Его углеродная растворимость ничтожна (< 0,008 мас.% при комнатной температуре, поднимаясь до 0,022 мас.% при 727 °C). Эта низкая растворимость означает, что любой углерод, превышающий этот предел, будет осаждаться в виде цементита или графита, в зависимости от условий охлаждения. Феррит относительно мягкий (жесткость ~ 80–100 HB), пластичный (удлинение до 50 %) и обладает хорошими магнитными свойствами ниже температуры Кюри (770 °C). В медленно охлаждаемых гипоэвтектоидных сталях феррит появляется в виде легкоусвояемых равномерных зерен, разделенных колониями жемчуга. Объемная фракция феррита уменьшается по мере увеличения содержания углерода к эвтектоидной композиции.

Аустенит (γ-Fe)

With a face-centered cubic (FCC) structure, austenite is stable only at elevated temperatures in plain carbon steels. Its FCC lattice provides larger interstitial sites, allowing carbon solubility up to 2.11 wt%. Austenite is non-magnetic and generally ductile, with a high strain-hardening rate. In heat treatment practice, austenite is the parent phase from which all final microstructures are derived. Its grain size at the time of quenching or cooling strongly influences the resulting mechanical properties: finer austenite grains lead to finer martensite laths or finer pearlite interlamellar spacing, improving both strength and toughness. Austenite can be retained at room temperature in high-carbon steels or those with significant manganese or nickel content (the basis of austenitic stainless steels and Hadfield manganese steel).

Cementite (Fe3C)

Цементит представляет собой интерметаллическое соединение с орторгомбической кристаллической структурой, содержащей 6,67 мас.% углерода. Он чрезвычайно твердый (приблизительно 800 Вт) и хрупкий, по существу без пластичности. В стальных микроструктурах цементит появляется в виде тонких ламелей в перлите, в виде сетей вдоль предыдущих границ аустенитного зерна (проевектоидный цементит в гиперэвтектоидных сталях), или в виде сфероидизированных частиц после длительного закалки. В то время как цементит метастабилен, его разложение до графита чрезвычайно медленно при комнатной температуре; он требует высоких температур (выше 400 ° C) и длительного времени, или каталитического эффекта элементов, таких как никель или кобальт. Контролируемое количество цементита отвечает за износостойкость высокоуглеродистых сталей и белых чугунов.

перламутровый

Перлит не является одной фазой, а продуктом эвтектоидного разложения, состоящим из чередующихся ламелл феррита и цементита. Он образуется, когда аустенит эвтектоидной композиции (0,76-0,80 мас.% С) медленно охлаждается через эвтектоидную температуру. Межламеллярное расстояние (расстояние между соседними слоями цементита) зависит от недостаточного охлаждения: более быстрое охлаждение создает более тонкий промежуток, который увеличивает твердость и прочность перлит. Это основа запатентованного провода (например, для шинного шнура), где чрезвычайно тонкий перлит втягивается в высокопрочный провод. В гипоэвтектоидных сталях сначала образуется проевтектоидный феррит, а оставшийся аустенит превращается в перлит при эвтектоидной температуре. В гиперэвтектоидных сталях сначала образуется проевтектоидный цементит, часто в виде непрерывной сети, которая может охладить сталь, если не исправить тепловой обработкой.

графит

Графит является стабильной формой углерода в системе Fe-C. Он имеет гексагональную слоистую структуру и очень мягкий (твердость Мооса 1-2, с отличными смазочными свойствами. В чугунах графит осаждается в различных морфологиях: хлопчатобумажный графит (серое железо), сфероидальный или узловой графит (проводниковое железо) и уплотненный графит (CGI). Наличие графита резко изменяет механическое поведение чугуна: он действует как усилитель напряжения (хлопьевой графит снижает прочность на разрыв и пластичность), обеспечивает демпфирование, улучшает обрабатываемость и может действовать как твердая смазка в приложениях скольжения износа. Фазовая диаграмма, применимая к графитсодержащим железам, немного отличается от диаграммы Fe-Fe3C, с эвтектическими и эвтектоидными композициями, сдвинутыми на более низкое содержание углерода и температуры, и удаляются

Использование диаграммы для прогнозирования микроструктуры: охлаждение и состав

Одним из наиболее мощных применений фазовой диаграммы Fe-C является прогнозирование микроструктурных составляющих, которые образуются при медленном охлаждении (равновесные условия). Это основа для проектирования сталей с конкретными соотношениями феррит/жемчуг или чугунов с желаемой графитовой морфологией.

Гипоэвтектоидные стали (0,02-0,76 мас.% C)

Когда гипоэвтектоидная сталь (например, AISI 1020 с 0,20 % C) медленно охлаждается из аустенитной области, первое твердое вещество, образующееся, является проевтектоидным ферритом, который образуется при границах аустенитного зерна и растет по мере того, как температура падает через (γ + α) двухфазную область. При эвтектоидной температуре оставшийся аустенит достигает 0,76 % C и превращается в перлит. Объемную фракцию проевтектоидного феррита можно вычислить с помощью правила рычага при температуре чуть выше эвтектоида: % феррит = (0,76 — FLT:0]0]0 0 для весовой фракции феррита. (0,76 — 0,022) × 100 для весовой фракции феррита. Остаток жемчуга. Для стали 0,20 % C это дает около 75 % феррита и 25 % перлит по объему. Это правило обеспечивает быструю оценку

Гиперэвтектоидные стали (0,76-2,11 мас.% C)

В гиперэвтектоидных сталях проевтектоид цементит осаждается сначала на границах аустенитного зерна, когда сплав охлаждается через область (γ + Fe ]3 C]. При температуре эвтектоида оставшийся аустенит (теперь на 0,76 % C) превращается в перлит. Цементитная сеть, которая образуется на предыдущих границах зерна, может быть вредна для прочности, если сталь не подвергается обработке отжига сфероидиза (нагрев чуть ниже A ]1 , чтобы разбить сети и сфероидизировать цементит). Высокоуглеродистые стали (например, AISI 1095, 1,0 % C) используются для режущих инструментов и пружин, где комбинация перлит и цементит обеспечивает износостойкость и прочность.

Кастовый железо (2,11-6,67 мас.% C)

Для сплавов выше 2,11 % С эвтектическая реакция регулирует затвердевание. В белых чугунах эвтектический продукт представляет собой светодиод (аустенит + цементит), который дает твердый, хрупкий материал, подходящий для износостойких применений (например, мельничные вкладыши, стреляные взрывные сопла). В серых чугунах эвтектик представляет собой аустенит + графит (форма хлопья). Скорость охлаждения и контроль состава цементита или графита: быстрое охлаждение способствует цементиту (охлаждение), в то время как медленное охлаждение и присутствие кремния способствуют графиту. Фазовая диаграмма помогает инженерам выбрать углеродный эквивалент (CE = % C + 1/3 (%Si + %P)) для обеспечения желаемого пути затвердевания. Например, CE около 4,3 % обеспечивает сплав вблизи эвтектической композиции, минимизируя диапазон замерзания и улучшая текучесть и качество литья.

Beyond Equilibrium: подключение фазовой диаграммы к CCT и TTT

Фазовая диаграмма Fe-C представляет собой равновесную диаграмму, то есть она показывает фазы, которые существовали бы, если бы охлаждение было бесконечно медленным. В реальной промышленной практике скорости охлаждения конечны, и появляются неравновесные фазы, такие как мартенсит, бейнит и даже сохраненный аустенит. Для практического использования фазовой диаграммы инженеры накладывают диаграмму преобразования во времени (TTT) или диаграмму непрерывного охлаждения (CCT) для данной стальной композиции.

Диаграмма ТТТ (также называемая диаграммой изотермического преобразования) показывает кинетику преобразования при постоянной температуре. Эвтектоидная температура (727 °C) формирует горизонтальную опорную линию на диаграммах ТТТ: выше этой температуры аустенит стабилен; чуть ниже нее жемчуг образуется медленно; при более низких температурах формы бейнита; и при быстром охлаждении линии начала преобразования подавляются, а мартенситные формы при температуре Ms[[FLT]][FLT]][FLT]][FLT]] обеспечивает границы равновесия (например, эвтектоидная температура, композиции фаз), которые служат термодинамическими границами для превращений.Например, равновесная растворимость углерода в феррите (0,022 мас.% при 727 °C) устанавливает максимально возможный углерод в феррите;

Диаграммы CCT еще более непосредственно применимы к процессам термообработки, таким как затвердевание, нормализация и сварка. Накладывая кривую охлаждения (например, центральную линию закаленной бар) на диаграмме CCT, инженеры могут предсказать полученную микроструктуру и твердость. Диаграмма Fe-C обеспечивает критические температуры A 1 , A 3 и A см (температуры аустенитизации), которые определяют, где начинаются и заканчиваются преобразования. Надлежащая аустенитирующая температура выбирается на основе фазовой диаграммы: гипоэвтэктоидные стали обычно нагреваются на 30–50 °C выше A 3 для получения гомогенного аустенита, в то время как гиперэвтектоидные стали нагреваются до температуры между A

Практическое применение термической обработки

Вооружившись фазовой диаграммой и кинетической диаграммой, инженеры-материалисты проектируют циклы термообработки, которые достигают конкретных микроструктур. Ниже приведены три классических примера.

Полное отжиг гипоэвтектоидной стали

Полное отжиг выполняется для размягчения стали для последующего формирования или обработки. Сталь нагревается на 30–50 °C выше A3 до полного аустенитирования, затем медленно охлаждается в печи. Согласно фазовой диаграмме, медленное охлаждение через двухфазную (γ+α) область и эвтектоидное преобразование производит грубый перлит и феррит. Чем грубее перлит, тем мягче сталь. Эта обработка дает минимальную твердость и максимальную пластичность, что делает сталь легкой в машинном исполнении. Например, AISI 1045 (0,45 % C) будет нагреваться до примерно 830 °C и печь охлаждается, давая микроструктуру грубого перлита с некоторым проевтектоидным ферритом.

Сфероидизируйте отжиг высокоуглеродистой стали

Для гиперэвтектоидных сталей (например, AISI 1095, 1,0 % C) и высокоуглеродистых инструментальных сталей для получения шаровидного отжига используется обработка для получения шаровидного цементита в ферритовой матрице. Сталь нагревается до температуры чуть ниже A1 (например, 700-720 °C) и удерживается в течение длительного периода (например, 700-720 °C) и удерживается чуть выше и ниже A1 для разрушения цементитовых сетей. Фазовая диаграмма показывает, что при этих температурах равновесные фазы являются ферритом + Fe3C. Медленная диффузия углерода во время удержания позволяет цементитным ламеллам грубеть и сфероидизировать, уменьшая внутреннюю энергию поверхности. Полученная сфероидизированная сталь мягкая, пластичная и идеально подходит для холодного образования или достижения равномерного ответа на последу

Сквозное закалывание и закаливание

Для максимизации твердости стали аустенитизируются, затем закаляются до образования мартенсита. Для эвтектоидной стали (0,76 % С) фазовая диаграмма показывает, что при 727 ° C аустенит этой композиции превращается в перлит, если медленно охлаждается; но при быстром закалке трансформация в перлит или бейнит подавляется, а мартенсит образуется при примерно 250 ° C (M]s. Полученный мартенсит чрезвычайно твердый (около 65 HRC), но хрупкий. Закалка (подогревание до 150-650 ° C) позволяет некоторому углероду осаждаться в виде мелких частиц цементита, снижая твердость, но улучшая прочность. Фазовая диаграмма снова сообщает процесс закалки: при температуре закалки ниже A]1, стабильные фазы являются ферритом и цементитом, поэтому преобразование тетрагонального мартенсита в феррит плюс цементит приводится в

Ограничения и распространенные заблуждения

Хотя фазовая диаграмма Fe-C неоценима, она имеет ограничения, которые должны признавать практикующие:

Распространенное заблуждение состоит в том, что эвтектоидный состав составляет ровно 0,76 % C при 727 ° C. В действительности эти значения варьируются с небольшим количеством легирующих элементов. Для простых углеродистых сталей (с <0,5 % Mn) эвтектоид составляет примерно 0,80 % C и 727 ° C. С 1% Mn эвтектоидный углерод падает примерно до 0,60 % C, а температура поднимается до ~730 ° C. Всегда ссылайтесь на конкретные данные для исследуемого сорта стали.

Заключение

Фазовая диаграмма железного углерода - это гораздо больше, чем необходимая тема экзамена - это практический ежедневный инструмент, который лежит в основе проектирования и обработки черных сплавов. Путем определения ключевых фаз (феррит, аустенит, цементит, перлит, графит) и их диапазонов стабильности, инженеры-материалисты могут прогнозировать как кастовую микроструктуру, выбирать соответствующие аустенитирующие температуры, проектировать циклы термообработки и предвидеть эффекты изменений состава. Мастерство диаграммы в сочетании с пониманием кинетики преобразования позволяет точно контролировать прочность, твердость, пластичность и износостойкость в огромном семействе сталей и чугунов. Для дальнейшего изучения ресурсы, такие как [FLT: 1]] ASM International [[FLT: 2]] [[FLT: 3]] предоставляют подробные фазовые диаграммы и данные о свойствах, в то время как учебники, такие как [[FLT: 4]] Фазовые трансформации в металлах и сплавах [[FLT: 5]] Д.А. Портер и К.Е. Истерлинг