Диаграмма состояния железо-углерод

Система железо-углерод может иметь следующие фазы:

  • жидкая фаза – раствора углерода в железе;
  • твердый раствор углерода в гамма-железе;
  • твердый раствор углерода в альфа-железе (дельта-железе);
  • углерод в виде графита;
  • карбид железа Fe3C, который чаще называют цементитом.

Цементит присутствует даже в относительно медленно охлажденных сплавах: требуется длительное выдерживание при повышенной температуре, чтобы разложить цементит на железо и графит. По этой причине диаграмма состояния железо-углерод имеет два вида: стабильная диаграмма  железо-углерод и метастабильная диаграмма железо-цементит. Их еще называют «цементитная система» и «графитная система».

Диаграмма состояния железо-углерод

Двойная диаграмма состояния железо-углерод, которая объединяет оба варианта – стабильный и метастабильный — показана на рисунке. Пунктирные линии относятся к стабильной диаграмме железо-углерод, сплошные – обозначают метастабильную диаграмму железо-цементит. Заметим, что «разногласия» между двумя диаграммами – стабильной и нестабильно возникают только по тем линиям, где выделяется фаза, обогащенная углеродом: сам углерод в виде графита или богатый углеродом цементит.

diagramma-zhelezo-uglerodРисунок — Диаграмма состояния железо-углерод
(сплошные линии — цементитная система, пунктирные — графитная).

Метастабильная диаграмма железо-цементит

Метастабильную диаграмму называют также «цементитной». Отличие от стабильной («графитной») диаграммы возникают при выделении углерода – в виде графита или цементита.

Как показано на двойной диаграмме, решетки аллотропных форм железа (δ, γ и α или дельта, гамма и альфа) служат «растворителем» для образования  соответственно твердых δ-, γ- и α-растворов углерода в железе.

Когда железо с очень малым содержанием углерода кристаллизуется, то кристаллы твердого дельта-раствора выделяются по линии ликвидус АВ и линии солидус АН. Твердый дельта-раствор имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку – точно такую же как и твердый альфа-раствор. При максимальной температуре твердого дельта-раствора   1490 ˚С содержание углерода составляет 0,1 % (точка Н). При температуре 1490 ˚С происходит перитектическая реакция между пересыщенным твердым δ-раствором и жидкой фазой, содержащей 0,5 % углерода (точка В). В результате образуется твердый  γ-раствор углерода в железе.  Он содержит 0,18 % углерода (точка I).

Если содержание углерода выше, чем 0,5 %, то твердый γ-раствор кристаллизуется прямо из жидкой фазы (по линии ликвидуса ВС и линии солидуса IE). При температуре 1130 ˚С ограниченная растворимость углерода в γ-железе составляет около 2,0 % (точка Е). Снижение температуры ниже 1130 ˚С приводит к снижению растворимости углерода в γ-железе по линии ЕS. При температуре 723 ˚С растворимость углерода составляет 0,8 % (точка S). Линия ES соответствует выделению карбида железа (цементита) из γ-железа.

При повышении содержания углерода температура, при которой гамма-решетка превращается в альфа-решетку снижается и это превращение происходит в интервале температуры, соответствующем линиям GS и GP.

Линия выделения альфа-фазы GS пересекается с линией выделения карбида железа ES в точке S. Точка S является эвтектической точкой со следующими координатами: 723 ˚С по температуре и 0,80 % по содержанию углерода. В этой точке из гамма-раствора эвтектоидного состава одновременно выделяются твердый альфа-раствор (феррит) и карбид железа (цементит).

Решетка твердого альфа-раствора является идентичной решетке твердого дельта-раствора. При эвтектоидной температуре 723 ˚С твердый альфа-раствор содержит 0,02 % углерода (точка Р). Дальнейшее охлаждение приводит к понижению растворимости углерода в альфа-железе и при комнатной температуре она составляет только малые доли процента (точка D).

Когда содержание углерода составляет от 2,0 до 4,3 %, кристаллизация начинается с выделения гамма-раствора по линии ВС. Увеличение содержания углерода выше 4,3% приводит к выделению карбида железа по линии CD.

Выделение дополнительной первичной фазы в сплавах с содержанием углерода выше 2,0 % сопровождается эвтектической кристаллизацией гамма-раствора и карбида углерода в точке С, координаты которой – 1130 °С и 4,3 % углерода.

Линия МО связана с магнитным превращением, то есть переходом от ферромагнитного к парамагнитному состоянию железа.

Стабильная диаграмма железо-графит

Эту диаграмму называют также «графитной». При очень низкой скорости охлаждения углерод в виде графита может кристаллизоваться прямо из жидкой фазы. В этом случае образуется эвтектическая смесь аустенита и графита вместо эвтектики аустенита и цементита. Как показано на диаграмме штриховые линии, которые относятся к системе железо-графит, проходят при более высоких температурах, чем соответствующие линии системы железо-цементит. Это указывает на большую стабильность и близость к полному равновесию системы железо-графит. В пользу этого вывода свидетельствует и тот факт, что  нагрев высокоуглеродистых сталей с большим содержанеим цементита приводит к его распаду: цементит —> железо + графит.

При умеренных скоростях охлаждения часть сплава может кристаллизоваться согласно «графитовой» диаграмме состояния, а другая часть – согласно «цементитной» диаграмме состояния.

Линии фазового равновесия на диаграммах обоих систем могут смещаться в зависимости от конкретных скоростей охлаждения. Наиболее заметное смещение можно видеть для линий выделения углерода в твердом гамма-растворе. Поэтому диаграмма является по-настоящему правильной только при условии очень медленного охлаждения сплавов.