Диаграмма состояния железо — углерод¶

Диаграмма состояния железо — углерод — графическое изображение фазового равновесия в системе «железо — углерод» в зависимости от температуры и концентрации углерода. Является базовой диаграммой металловедения, на которой строятся объяснения структуры и свойств углеродистых сталей и чугунов, а также обоснование режимов термической обработки.

¶Общая характеристика

Диаграмма отражает превращения в сплавах железа с углеродом при медленном охлаждении или нагреве, то есть в условиях, близких к равновесным. По оси ординат откладывают температуру (обычно от комнатной до 1600 °C), по оси абсцисс — массовую долю углерода (от 0 до 6,67 %). Крайние точки соответствуют чистому железу и химическому соединению Fe₃C — цементиту, содержащему 6,67 % углерода.

Различают два варианта построения: метастабильную диаграмму «железо — цементит» и стабильную «железо — графит». В первом случае углерод присутствует в виде цементита, во втором — в виде графита. Для сталей и белых чугунов практически используют метастабильную диаграмму, для серых чугунов — стабильную.

¶Компоненты и фазы

Компонентами системы являются железо и углерод. Железо существует в двух кристаллических модификациях:

• α-железо — объёмно-центрированная кубическая решётка, устойчиво до 911 °C и выше 1392 °C;
• γ-железо — гранецентрированная кубическая решётка, устойчиво в интервале 911–1392 °C.

Основные фазы диаграммы:

¶Ключевые точки и линии

На диаграмме выделяют характерные точки, обозначаемые буквами:

• A (1539 °C) — температура плавления чистого железа;
• D (1252 °C) — плавление цементита;
• E (2,14 % C, 1147 °C) — предельная растворимость углерода в аустените;
• G (911 °C) — полиморфное превращение α → γ;
• S (0,8 % C, 727 °C) — эвтектоидная точка (перлит);
• C (4,3 % C, 1147 °C) — эвтектическая точка (ледебурит).

Основные линии: линия ликвидус (начало кристаллизации), солидус (конец кристаллизации), линия эвтектоидного превращения PSK (727 °C), линии предельной растворимости GS, SE, PQ.

¶Классификация сплавов

По положению на диаграмме сплавы делят на группы:

• Техническое железо — до 0,02 % C, структура феррит.
• Стали — от 0,02 до 2,14 % C. Подразделяются на доэвтектоидные (до 0,8 % C, феррит + перлит), эвтектоидные (0,8 % C, перлит) и заэвтектоидные (0,8–2,14 % C, перлит + цементит).
• Чугуны — от 2,14 до 6,67 % C. Доэвтектические (2,14–4,3 % C), эвтектический (4,3 % C) и заэвтектические (4,3–6,67 % C).

Граница между сталью и чугуном проходит по точке E — предельной растворимости углерода в аустените.

¶Превращения при охлаждении

При медленном охлаждении доэвтектоидной стали сначала из аустенита выделяется феррит по линии GS, затем при 727 °C остаточный аустенит превращается в перлит. В заэвтектоидной стали из аустенита выделяется вторичный цементит по линии SE, а затем также образуется перлит. В чугунах при 1147 °C происходит эвтектическое превращение с образованием ледебурита.

¶Практическое значение

Диаграмма позволяет:

• определять фазовый и структурный состав сплава при заданной температуре;
• обосновывать выбор режимов отжига, нормализации, закалки и отпуска;
• прогнозировать механические свойства сталей и чугунов;
• устанавливать температурные интервалы горячей обработки давлением.

Точка S (0,8 % C) соответствует эвтектоидной стали с наиболее дисперсной структурой перлита, что определяет её повышенную прочность и твёрдость. Точка C (4,3 % C) отвечает чугуну с наименьшей температурой плавления — такие составы используют в литейном производстве.

¶Ограничения

Диаграмма построена для равновесных условий и двойной системы. В реальных сплавах присутствуют примеси (кремний, марганец, сера, фосфор), а охлаждение идёт с конечной скоростью, что смещает превращения. Поэтому диаграмму применяют как теоретическую основу, дополняя её термокинетическими и изотермическими диаграммами распада аустенита.

¶Источники

• Металловедение и термическая обработка стали: справочник.
• Гуляев А. П. Металловедение.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов.