Для чего нужна диаграмма железо-углерод? Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит) дает представление о кристаллизации и структурных превращениях железоуглеродистых сплавов, которые совершаются при нагреве или охлаждении. С точки зрения практики диаграмма имеет большое значение, так как является основой для изучения процессов термической обработки чугунов и сталей. Фазовые состояния сплавов железа с углеродом зависят от содержания углерода и температуры. На вертикальной оси диаграммы расположена температурная шкала. На горизонтальной оси откладывается содержание углерода в сплаве в процентном отношении. Каждая точка диаграммы отображает определенный состав сплава при определенной температуре. Структурные превращения в железоуглеродистых сплавах происходят не только при затвердевании сплава из жидкого расплава, но и в твердом состоянии.

Линия ликвидуса – линия ABCD показывающая температуры начала кристаллизации (затвердевания) сталей и чугунов. При температуре выше линии ликвидуса расплав находиться в жидком состоянии. В жидком состоянии углерод хорошо растворяется в железе и образуется однородная жидкая фаза. Линия солидуса это линия АECF показывающая температуры полного затвердевания или начала плавления сталей и чугунов. По линии ликвидуса AB кристаллизуется феррит, по линии BС кристаллизуется аустенит, а по линии СD кристаллизуется цементит (первичный). В системе железо-углерод феррит, аустенит и цементит являются фазами железоуглеродистых сплавов.

Феррит (α – железо) – твёрдый раствор внедрения углерода в железо с объёмно-центрированной кубической решеткой (ОЦК). Растворимость углерода в феррите (α – железе) ничтожно маленькая. Феррит делится на низкотемпературный (α) и высокотемпературный (δ). Феррит мягкое и пластичное соединение. Механические свойства феррита, близки к свойствам чистого железа.

Аустенит (γ - железо) – твёрдый раствор внедрения углерода в железо с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК). ГЦК решетка, состоит из атомов железа и атомов углерода, которые занимают места в центре кубических ячеек.

Цементит – соединение железа с углеродом в виде карбида (Fe₃C). Цементит очень твёрдое и соответственно очень хрупкое соединение. Цементит делится на первичный, вторичный и третичный. Первичный цементит образуется из жидкого раствора, вторичный из аустенита, а третичный из феррита. Третичный феррит в виде мелких включений располагается на границе зерен феррита.

Рассмотрим более детально часть диаграммы, которая изображает фазовые превращения в сталях. Как известно, сталь это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода находиться в интервале от 0,02% и до 2,14%. На диаграмме железо-углерод кроме точек минимального и максимального содержания углерода нанесена еще одна точка S (0,8% С), которая называется эвтектоидной точкой. Вся линия PSK проходящая через всю диаграмму называется линией эвтектоидного превращения. По отношению к точке S стали условно делятся на доэвтектоидные (С˂0,8%), эвтектоидные (С=0,8%), заэвтектоидные (С˃0,8%). При охлаждении доэвтектоидных сталей по линии ликвидуса начинается первичная кристаллизация, при которой из жидкого расплава образовывается высокотемпературный феррит (δ), который существует в интервале температур 1392-1539⁰С. Предельная растворимость углерода у высокотемпературного феррита равна 0,1% при температуре 1499⁰С (точка J). При дальнейшем охлаждении стали (ниже отметки 1392⁰С) высокотемпературный феррит превращается в аустенит.