Компоненты диаграммы
Железо – металл с температурой плавления 1539°С. Железо существует в двух модификациях: до 911°С α–Fе с решёткой ОЦК и γ-Fе выше 911°С с кристаллической решёткой ГЦК. Железо относится к числу элементов, которые при нагревании (охлаждении) претерпевают аллотропические превращения. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфным превращением.
При температуре 768°С в железе происходит магнитное превращение: переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное (немагнитное) состояние. Эту точку называют точкой Кюри.
Углерод – неметалл, температура плавления 3500°С, имеет две аллотропические формы: графит и алмаз. Графит – представляет собой аллотропическую модификацию углерода. Он мягок, малопрочен. В чугунах и в графитизированной стали содержится в виде включений различной формы.
Фазы диаграмм
Жидкая фаза (Ж) – существует выше линии ликвидус (АСD).
Феррит (α; Ф) – твёрдый раствор внедрения углерода в α–Fе. Кристаллическая решётка – ОЦК. Максимальная концентрация углерода в феррите составляет 0,02% при 727°С (точка Р). При комнатной температуре ∼0,008% (точка Q). Характеризуется низкой прочностью (σв = 250 МПа) и твердостью (63 – 130 НВ), высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40%). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ. Образуется из аустенита.
Аустенит (γ, А) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-Fе, имеет ГЦК решётку. Аустенит занимает на диаграмме область, ограниченную точками AESG. Максимальная концентрация углерода в аустените 2,14% при 1147°С (точка Е). Аустенит – не магнитен. Обладает высокой пластичностью и низкой твердостью, относительное удлинение находится в пределах 40-50%, твердость 160-200 НВ. Железоуглеродистые сплавы, находящиеся в аустенитном состоянии, легко поддаются обработке давлением.
Цементит (Fe3C, Ц) – химическое соединение углерода с железом (карбид железа Fe3C). Он имеет сложную кристаллическую решётку. Цементит очень твёрд и хрупок, ферромагнитен до 217°С. Характеризуется высокой твердостью (800 НВ), но очень хрупок. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.
В зависимости от условий образования различают цементит первичный (ЦI), который образуется при кристаллизации заэвтектических чугунов (ниже линии CD).
Цементит вторичный (ЦII) – образуется у сплавов с содержанием 0,9-2,0% С при охлаждении аустенита в результате изменения растворимости углерода в аустените (ниже линии ES в интервале температур от 1147°С до 727°С).
Цементит третичный (ЦIII) образуется у сплавов с содержанием 0,01-0,025% С, при охлаждении феррита в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия PQ), ниже температуры 727°С.
Первичная кристаллизация
Линия АСD (ликвидус) показывает изменение состава жидкой фазы при кристаллизации сплавов. Участок АС фиксирует начало выделения из жидкости кристаллов аустенита (А), а участок СD – кристаллов цементита, который называется цементитом первичным (Ц). Окончание процесса кристаллизации происходит при температурах, лежащих на линии солидуса АЕСF.
Особенность первичной кристаллизации чугунов заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при 1147°С (по линии ЕСF), когда жидкость с концентрацией точки С (4,13% углерода) дает две твердые фазы – аустенит точки Е (2,14% углерода) и цементит точки F (6,67% углерода), образуя ледебурит (Л).
Ледебурит - эвтектика системы Fe-Fe3C – механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода и образующаяся из жидкого расплава при температуре 1147°С. Так как при температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, то ледебурит состоит из цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещен перлит. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 HB) и хрупкости.