Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Среди диаграмм состояния металли­ческих сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко приме­няют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-карбид железа (це­ментит), и стабильная, характеризую­щая превращение в системе железо - графит.

На то, что система железо - графит является более стабильной, чем система железо-цементит, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и гра­фит, т. е. переходит в более стабильное состояние.

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо и углерод — эле­менты полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации - α и γ. Модификация Fe_α, существует при тем­пературах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с пери­одом 0,286 нм. Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже тем­пературы 768 С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_γ существует в интер­вале температур от 911 до 1392°С и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 им. ГЦК решет­ка более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe_α в Fe_γ объем железа уменьшается приблизи­тельно на 1%.

Углерод существует в двух модифика­циях: графита и алмаза. При нор­мальных условиях стабилен графит, ал­маз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низко­температурном феррите мала и составляет 0,02%, в высокотемпературном-0,1%. Столь низкая растворимость углерода в Fe_α обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля ато­мов углерода вынуждена размещаться в дефектах.

Аустенит (обозначают А) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Он имеет ГЦК решетку, межа­томные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому раствори­мость углерода в Fe_γ значительно боль­ше и достигает 2,14%. Аустенит пласти­чен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25 °С.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа Fe₃C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ром­бическую решетку. При нормальных ус­ловиях цементит тверд (НВ 8000) и хру­пок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита труд­но определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучом.

Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свобод­ном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопро­чен, мягок.

Превращения в сплавах системы желе­зо-цементит

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C характеризует фа­зовый состав и превращения в системе железо - цементит (6,69 % С). Особен­ность диаграммы - наличие на оси со­ставов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам поли­морфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную кон­центрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпе­ратурном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Обозначение точки на диаграмме	Температура, °С	Концентрация углерода, %
А Н J В N D Е С F G Р S К	1539 1499 1499 1499 1392 1260 1147 1147 1147 911 727 727 727	0 0,1 0,16 0,51 0 6,69 2,14 4,3 6,69 0 0,02 0,8 6,69