Железо-углеродная диаграмма состояния: ключевые сведения для стали и чугуна

Железо-углеродная диаграмма состояния

Железо-углеродная диаграмма широко используется для понимания различных фаз стали и чугуна. Оба — смеси железа и углерода. Оба содержат небольшое количество примесей.

Диаграмма сложна, но мы ограничимся Fe₃C — до 6,67% углерода по массе.

Диаграмма построена: по оси X — концентрация углерода по массе, по оси Y — температура.

Рисунок показывает диаграмму равновесия Fe-C, на которой изображены различные структуры (получаемые при нагреве и охлаждении), фазы и микроскопические компоненты разных видов стали и чугуна. Обсуждаются основные структуры, значение линий и критические точки.

Структуры на Fe-C диаграмме

Основные микроскопические компоненты железа и стали:

• Аустенит
• Феррит
• Цементит
• Перлит

1. Аустенит

Твердый раствор свободного углерода (феррита) в гамма-железе. При нагреве стали выше верхней критической температуры структура полностью превращается в аустенит — твердый, пластичный, немагнитный.

Способен растворять большое количество углерода. Находится между критическими температурами при нагреве и охлаждении. Образуется при содержании углерода до 1,8% при 1130 °C. При охлаждении ниже 723 °C начинает превращаться в перлит и феррит. Аустенитные стали не закаляются обычными методами и немагнитны.

2. Феррит

Содержит очень мало или никакого углерода в железе. Название чистым железным кристаллам — мягким и ковким. Медленное охлаждение низкоуглеродистой стали ниже критической температуры дает ферритную структуру. Феррит не закаляется при быстром охлаждении. Очень мягкий, высокомагнитен.

3. Цементит

Химическое соединение углерода с железом — карбид железа (Fe₃C). Чугун с 6,67% углерода имеет полностью цементитную структуру. Свободный цементит есть во всех сталях с >0,83% углерода. Доля растет с ростом углерода, как видно на диаграмме. Экстремально тверд.

Твердость и ломкость чугуна считаются следствием наличия цементита. Снижает прочность на растяжение. Образуется при формировании определенных соединений углерода с железом — железных карбидов, экстремально твердых. Ломкость и твердость чугуна контролируются присутствием цементита. Магнитен ниже 200 °C.

4. Перлит

Эвтектойдная смесь феррита и цементита. Встречается в средне- и низкоуглеродистых сталях как механическая смесь феррита и цементита в соотношении 87:13. Твердость растет с долей перлита в ферристом материале.

Перлит относительно прочен, тверд и пластичен, феррит — слаб, мягок и пластичен. Состоит из чередующихся светлых и темных пластинок — феррита и цементита. Под микроскопом поверхность похожа на жемчужину — отсюда название. Твердые стали — смеси перлита и цементита, мягкие — феррита и перлита.

При увеличении углерода выше 0,2% температура, при которой феррит впервые выпадает из аустенита, снижается до того, что при ≥0,8% углерода свободный феррит не выпадает из аустенита. Такая сталь — эвтектойдная, перлитная по составу.

При нагреве и охлаждении железа с разным % углерода (до 6%) следующие линии показывают структуру железа и ее изменения.

Значение линий превращений

1. Линия ABCD

Выше этой линии плавление завершено при нагреве железа. Расплав чисто жидкий. Ниже этой линии и выше AHJECF — металл частично твердый, частично жидкий. Твердая фаза — аустенит. Линия ABCD — температуры завершения плавления. Выше — полностью расплав. Не горизонтальна — температура плавления меняется с содержанием углерода.

2. Линия AHJECF

Металл начинает плавиться при этой температуре. Линия не горизонтальна — температура плавления меняется с углеродом. Ниже этой линии и выше GSEC — металл в твердом состоянии, структура аустенит.

3. Линия PSK

Проходит около 723 °C, горизонтальна, называется линией нижней критической температуры — превращение стали начинается здесь. Содержание углерода не влияет — стали с разным % C превращаются при одной температуре.

Область выше линии до GSE — интервал превращения. Эта линия показывает: сталь с углеродом до 0,8% начинает превращаться из феррита и перлита в аустенит при нагреве.

4. Линия ECF

Линия при 1130 °C для чугуна с 2–4,3% C. Ниже этой линии и выше SK — чугун имеет аустенит + ледебурит и цементит + ледебурит.

Часто задаваемые вопросы

Что такое железо-углеродная диаграмма?

Fe-C диаграмма (железо-углеродная фазовая или равновесная) — графическое представление микроструктурных состояний сплава Fe-C в зависимости от температуры и содержания углерода. Для объяснения нужно введение в металлические структуры и чистое железо.

Как читать железо-углеродную диаграмму?

Почему железо-углеродная диаграмма называется равновесной?

Железный карбид — метастабильная фаза. Поэтому диаграмма железа-железного карбида, хотя технически представляет метастабильные условия, может считаться отображающей равновесные изменения при достаточно медленном нагреве и охлаждении.

Каковы фазы в железо-углеродной диаграмме?

Интересующие фазовые области: феррит, цементит, аустенит, феррит+цементит, феррит+аустенит, аустенит+цементит.

Что такое углеродная равновесная диаграмма?

Железо-углеродная равновесная диаграмма (также фазовая) — графическое представление микроструктурных состояний сплава Fe-C в зависимости от температуры и содержания углерода.

Какой процент углерода в эвтектойдной стали?

Сталь с 0,8% C — эвтектойдная. Равновесная микроструктура при комнатной температуре — перлит.

Что такое низкоуглеродистая сталь?

Ферристый металл из железа и углерода. Низкоценный материал со свойствами для большинства общих инженерных применений. Низкоуглеродистая сталь имеет хорошие магнитные свойства из-за высокого железа — ферромагнитна.

Из чего состоит сталь?

Сплав железа и углерода с содержанием углерода до 2% (выше — чугун). Наиболее широко используемый материал для мировой инфраструктуры и промышленности — от швейных игл до нефтяных танкеров.

Каково значение температуры A₀ в диаграмме железа-железного карбида?

Линия A₁ — эвтектойдная температура, наименьшая, при которой ф.ц.к. железо может существовать в равновесии. Чуть выше A₁ микроструктура ~25% аустенита и 75% феррита.

Что такое критическая температура в железо-углеродной диаграмме?

Температура, соответствующая границе гамма+альфа/гамма для гипоэвтектойдной стали, функция содержания углерода: снижается от 910 °C при 0% C до 727 °C при 0,76% C. Также называется верхней критической температурой гипоэвтектойдных сталей.

Что такое эвтектойдная температура в железо-углеродной диаграмме?

Эвтектойдная реакция — превращение одного твердого тела в два других. В системе Fe-C эвтектойдная точка ~0,8% C, 723 °C. Фаза чуть выше эвтектойдной температуры для углеродистых сталей — аустенит (гамма).

Какова важность железо-углеродной диаграммы?

Широко используется для понимания фаз стали и чугуна. Оба — смеси железа и углерода с малыми примесями.

Является ли углерод ФЦК?

Углерод лучше растворим в ФЦК фазе (область «γ» на диаграмме), чем в ОЦК. Процент углерода определяет тип железного сплава при охлаждении из ФЦК или из жидкого железа: альфа-железо, углеродистая сталь (перлит) или чугун.

Как узнать, ОЦК или ФЦК?

Главное отличие в атомной упаковке. ФЦК: атомы в 8 углах и центрах 6 граней. ОЦК: атомы в 8 углах и в центре куба.

Сталь — ОЦК или ФЦК?

Альфа-фаза — феррит. Феррит — частый компонент сталей, имеет ОЦК структуру (менее плотная упаковка, чем ФЦК).

Что такое железо-углеродное равновесие?

В равновесных условиях проэвтектойдный феррит образуется в сплавах Fe-C до 0,8% C. Реакция при 910 °C в чистом железе, в сплавах — между 910 °C и 723 °C.

Что такое перлит в железо-углеродной диаграмме?

Перлит — эвтектойдная смесь цементита и феррита. Диаграмма Fe-Fe₃C не истинное равновесие, так как железный карбид нестабилен и при длительном нагреве разлагается на железо и углерод (графит).

Что такое феррит в железо-углеродной диаграмме?

Феррит — α-твердый раствор. Интерстициальный твердый раствор малого количества углерода в α (ОЦК) железе. Макс. растворимость 0,025% C при 723 °C, при комнатной — 0,008% C. Мягчайшая структура на диаграмме.

Какая фаза почти чистое железо?

Чистое железо (α-железо, феррит) меняет кристаллическую решетку при нагреве выше 910 °C, образуя γ-железо (аустенит).

Почему линия ACM круче линии A₃?

Линия ACM намного круче A₃, что означает: количество проэвтектойдного цементита в коммерческих сталях очень мало, но также означает, что для растворения этого цементита для полной гомогенизации аустенита нужно нагревать до очень высоких температур.