В 1868 г. великий русский металлург Д. К. Чернов сделал крупнейшее открытие: нашел критические точки стали, которые позволяют установить правильные режимы горячей механической, а также термической обработки стали. Д. К. Чернов указал, что для различных сталей существуют определенные температуры, переход через которые вызывает изменения структуры.
Этим открытием было положено начало научному исследованию железоуглеродистых сплавов, которые в последующем были подвергнуты тщательному и глубокому изучению многими металловедами.
Обширные исследования завершились построением диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, фиксирующей термодинамическое равновесие в этих сплавах и позволяющей определить их состояние и структуру при любой температуре и при любом содержании С в пределах до 0,67%.
В этой диаграмме критические точки, открытые Д. К. Черновым, играют главную роль и дают ключ к выяснению процесса образования структуры сталей при достаточно медленном охлаждении.
Сам Д. К. Чернов до конца своей жизни продолжал заниматься изучением железоуглеродистых сплавов и уточнением понижения критических точек.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов в современном ее виде позволяет раскрыть процессы образования структур сталей и чугунов и поэтому играет важнейшую роль во всех областях технологии чёрных металлов: в металлургии, литейном деле, горячей механической обработке, термообработке.
Так как в железоуглеродистых сплавах, а особенно в сталях и в белом чугуне, при охлаждении углерод большей частью выделяется не в чистом виде, а в виде цементита, то, следовательно, основными компонентами здесь являются: с одной стороны, железо, а с другой — цементит, содержащий 6,67% С.
Поэтому при построении диаграммы железоуглеродистых сплавов (рис.1) по оси абсцисс откладывается содержание углерода в сплаве, начиная от 0 до 6,67% С, а по оси ординат - температура. Таким образом, крайняя левая ордината (при С=0%) соответствует чистому железу, а крайняя правая — содержанию С=6,67%, т. е. цементиту.
В жидком состоянии железо полностью растворяет углерод в пределах до 10%, поэтому при температуре выше точки плавления железоуглеродистые сплавы, содержащие до 6,67% С представляют собой однородный жидкий раствор. При охлажунии γ-Fe образует с углеродом твердые растворы (аустенит), причем растворимость углерода в аустените доходит при t=1130° до С=1,7%.
При более высокой, чем t= 1130°, и более низкой температурах растворимость углерода в аустените понижается и определяется линиями A1E и ES ( рис. 1). Поэтому при охлаждении сплавов, содержащих С >1,7%, выделяются два компонента: аустенит и цементит. Они выделяются раздельно в виде смеси микроскопически малых, тесно перемешанных частиц.
Такая смесь называется эвтектикой. Как известно из физической химии, эвтектика получается в тех случаях, когда два или более компонента образуют жидкие растворы, но в твердом состоянии растворов не дают.
При некоторой определенной концентрации компонентов и при вполне определенной температуре, наиболее низкой для данной системы компонентов, весь сплав при затвердевании переходит в эвтектику — смесь микроскопически малых тесно перемешанных частиц обоих компонентов. Сплав этой концентрации называется эвтектическим. Это — самый легкоплавкий из всех возможных сплавов данных компонентов.
В сплавах, отличных по составу от эвтектического, при затвердевании в первую очередь выпадает тот компонент, который является избыточным по отношению к эвтектическому составу. Благодаря этому концентрация остаточного жидкого раствора приближается к концентрации эвтектического состава, а температура начала твердения понижается.
Когда концентрация оставшегося жидкого раствора станет такой же, как и эвтектического состава, а температура упадет до температуры твердения эвтектики, остаточный жидкий раствор переходит в твердое состояние, образуя эвтектику. При переходе этого жидкого раствора в твердую эвтектику температура все время остается неизменной.
Рис. 1 Диаргамма состояния железоуглеродистых сплавов.
Таким образом, после окончательного затвердевания сплава, отличного по составу от эвтектического, в структуре его наблюдаются отдельные кристаллы избыточного компонента, вкрапленные в массу твердой эвтектики. Чем ближе сплав по составу к эвтектическому, тем меньше в нем кристаллов избыточного компонента и тем больше места занимает эвтектика.
На диаграмме рис. 1 линия АСД представляет собой линию температур начала твердения (так называемую линию ликвидуса) железоуглеродистых сплавов; она имеет точку С, соответствующую эвтектическому сплаву. Таким образом, содержание С в эвтектическом сплаве равно 4,3%, и сплав затвердевает при постоянной t= 1130°, образуя эвтектику, состоящую из тесно перемешанных частиц аустенита и цементита. Эта эвтектика называется ледебуригом.
Для сплавов с содержанием С< 1,7% избыточным компонентом является железо, поэтому при охлаждении таких сплавов до температур линии АС (линии ликвидуса) в жидком растворе начинают выделяться кристаллы аустенита в виде свободно растущих древовидных образований — дендритов.
В сплавах с содержанием С=0,83% при охлаждении из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита, содержание углерода в которых в зависимости от температур определяется по линии A1E.
При достижении температур линии А1Е весь сплав целиком преходит в твердое состояние и состоит из кристаллов аустенита. В процессе дальнейшего охлаждения ниже линии А1Е сплав сохраняет структур аустенита, но только до тех температур, при которых γ -Fe переходит в α -Fe. Для чистого железа этот переход происходит при t=898°, но для аустенита температура начала перехода γ-Fe ->α -Fe понижается с увеличением содержания углерода и изображается линией GS (рис. 1).
