Диаграмма состояния ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД

Железо и его сплавы – важнейшие конструкционные материалы в технике, и в особенности в машиностроении. Разнообразие фазовых и структурных составляющих в системе железо-углерод способствует получению сталей и чугунов с заданными механическими свойствами.

В виду того, что в машиностроении нельзя использовать сплавы с содержанием углерода свыше 6,67 % С ввиду их очень высокой хрупкости, то диаграмму состояния обычно изображают для соединения Fe₃C – цементита, содержащего 6,67 % углерода.

Диаграмма состояния железо-цементит

Компоненты диаграммы

Железо – серебристо-серый металл, принадлежащий к VIII группе периодической системы, температура плавления Т=1536 °С. Железо в твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: объемноцентрированного (а) и гранецентрированного (б) куба.

объемноцентрированная решетка (ОЦК) a-железо	гранецентрированная решетка (ГЦК) g-железо

в

Из схемы изменения свободной энергии (в) следует, что с интервале температур 910-1392°С меньшую свободную энергию и большую стабильность имеет g-железо с кристаллической решеткой ГЦК. Ниже 910 °С и 1392 °С устойчиво a-железо с ОЦК решеткой. Высокотемпературную модификацию a-железа иногда называют d-железом, хотя оно не представляет собой новой кристаллической формы. Ниже температуры 768 °С железо магнитно, выше этой температуры железо теряет свои магнитные свойства.

Углерод в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Принадлежит к IV группе периодической системы, является неметаллом. Температура плавления 3500 °С. Имеет две кристаллические модификации – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, он имеет гексагональную решетку. Алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

Фазовые составляющие:

Ф – феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, магнитен до 768°С. Максимальная растворимость углерода в феррите составляет 0,02 % при Т=727°С, при комнатной температуре растворимость углерода в феррите уменьшается до 0,006 %. Твердость феррита НВ=80-100, высокопластичен, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

А – аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, немагнитен. Максимальная растворимость углерода в g-железе составляет 2,14 % при температуре 1147°С. Высокопластичен, но более тверд, чем феррит (твердость аустенита НВ=160-200).

Ц – цементит – карбид железа Fe₃C, в котором содержится 6.67 % С. Магнитен до 210 °С. Температура плавления 1252 °С. Обладает высокой твердостью (около 800 НВ). Очень хрупок, имеет почти нулевую пластичность. В зависимости от условий образования различают:

- первичный Ц_I – выделяется непосредственно из жидкой фазы, наиболее грубые выделения;

- вторичный Ц_II – выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии, в виде сетки по границам зерен;

- третичный Ц_III – выделяется из феррита при сравнительно низких температурах, обычно внутри зерен в виде дисперсных включений, которые увеличивают прочность феррита.

Структурные составляющие

Ф - феррит

А – аустенит

Диаграмма состояния имеет так называемые линии эвтектического и эвтектоидного превращений. В результате этого формируются механические смеси – эвтектика и эвтектоид.

П – перлит – эвтектоид(после травления цвет перламутра) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Перлит состоит из параллельных пластинок цементита в ферритной основе или может иметь зернистое строение. Содержит 0,83 % С. Образуется при распаде аустенита при температуре 727 °С. Обладает высокими прочностью, твердостью (200 НВ) и повышает механические свойства сплава.

Л – ледебурит – эвтектика – механическая смесь аустенита и цементита (Л_в), содержащая 4,3 % С. Аустенит, входящий в состав ледебурита при 727 °С испытывает эвтектоидное превращение, поэтому ниже 727 °С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита (Л_н). Твердость НВ=600-700, хрупок.

Критические точки

Это температуры фазовых или других превращений (например, магнитных), которым на кривых охлаждения соответствуют остановки или линии перегиба. Обозначаются А_с (на кривой нагрева) или А_r (на кривой охлаждения). А – arret – остановка.

А₀ – магнитное превращение цементита – 210°С

А_с1 – превращение перлита в аустенит при нагреве - 727°С (линия PSK)

А_r1 – превращение (распад) аустенита в перлит - 727°С (линия PSK)

А₂ – магнитное превращение феррита (т. Кюри) - 768°С

А_с3 – полный переход структуры в аустенит при нагреве (линия GS)

А_r3 – начало выделения феррита из аустенита при охлаждении доэвтектоидных сталей (линия GS)

А_cm – конец растворения цементита в аустените при нагреве заэвтектоидных сталей (линия SE)

А_rm – начало выделения цементита при охлаждении заэвтектоидных сталей (линия SE)

А₄ – начало превращения аустенита в твердый раствор внедрения углерода в d-Fe при нагреве.