Диаграмма состояния железо — цементит

Диаграмма состояния железо — углерод — основа всей чёрной металлургии: по ней определяют, какие фазы есть в стали или чугуне данного состава при данной температуре, и выбирают режимы термической обработки. Практически важна её часть от чистого железа до цементита $\mathrm{Fe_3C}$ (6,67 % углерода).

Компоненты

1. Железо, $T_\text{пл} = 1539\ ^\circ\mathrm{C}$. При нагревании железо дважды меняет кристаллическую решётку:

2. Цементит $\mathrm{Fe_3C}$ — карбид железа, $T_\text{пл} \approx 1250\ ^\circ\mathrm{C}$.

Диаграмма

Линия $ABCD$ — ликвидус системы, линия $AHJECF$ — солидус. Узкая область вдоль оси температур левее линии $GPQ$ — феррит.

Фазы и структурные составляющие

В системе существуют четыре фазы:

• расплав ($L$) — жидкий раствор углерода в железе; существует выше ликвидуса;
• феррит (Ф) — твёрдый раствор внедрения углерода в $\alpha$-железе с ОЦК-решёткой. В ОЦК-решётку углерод внедряется с трудом, поэтому растворимость его в феррите очень мала — не более 0,02 %. Области феррита — левее линий $AHN$ и $GPQ$;
• аустенит (А) — твёрдый раствор внедрения углерода в $\gamma$-железе с ГЦК-решёткой. В ГЦК-решётке растворимость углерода больше — до 2,14 %. Область существования — $NJESG$;
• цементит (Ц) — химическое соединение $\mathrm{Fe_3C}$; ему отвечает вертикаль $DFKL$.

Кроме фаз, на диаграмме выделяют две структурные составляющие — это не фазы, а смеси двух фаз:

• ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита;
• перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Нонвариантные превращения

Три горизонтальные линии на диаграмме — $HJB$, $ECF$ и $PSK$ — отвечают трём нонвариантным равновесиям. На каждой из них сосуществуют три фазы, и по правилу фаз $C = 2 - 3 + 1 = 0$: превращение идёт при постоянной температуре и постоянных составах фаз. Индекс у фазы — точка диаграммы, задающая её состав.

1499 °C, линия $HJB$ — перитектическое превращение: расплав взаимодействует с кристаллами феррита, образуя аустенит:

1147 °C, линия $ECF$ — эвтектическое превращение: расплав кристаллизуется в смесь аустенита и цементита — ледебурит:

727 °C, линия $PSK$ — эвтектоидное превращение: аустенит распадается на смесь феррита и цементита — перлит:

Эвтектоидное превращение похоже на эвтектическое, но исходная фаза в нём не расплав, а твёрдый раствор. Линия $ECF$ — линия эвтектики, линия $PSK$ — линия эвтектоида.

Стали и чугуны

Граница между сталями и чугунами — точка $E$, предельная растворимость углерода в аустените:

• стали — сплавы, содержащие до 2,14 % углерода;
• чугуны — от 2,14 до 6,67 % углерода.

При нагревании любую сталь можно перевести в однофазное состояние — аустенит, а в структуре чугуна всегда есть ледебурит. Отсюда различие в свойствах: сталь прочная и пластичная, чугун твёрдый, но хрупкий.