Диаграмма состояния железуглерод: равновесная диаграмма, фазы, критические точки и применение

Что такое фазовые диаграммы?

Фазовые диаграммы — графическое представление фаз, существующих в сплаве при различных температуре, давлении и химическом составе. Диаграммы равновесия показывают изменения состояния при медленном изменении температуры и концентрации, позволяя понять структуру и состав фаз в системе. Также называются конституционными диаграммами.

Характеристики и назначение диаграмм равновесия

Равновесие — динамическое равновесие атомных процессов, когда прямые и обратные процессы уравновешены. Эксперименты проводят при экстремально низких скоростях изменения параметров, чтобы система успевала «прийти в покой».

Диаграмма равновесия показывает:

1. Температуры начала и окончания плавления сплава.
2. Возможные фазовые превращения при изменении состава или температуры.

Что изображает диаграмма равновесия?

Условия сосуществования двух и более фаз в равновесии. Пример: тройственная точка воды (0,01 °C, 0,006 атм) — сосуществование льда, воды и пара.

Применение в металлургии

• Разработка новых сплавов под требования применения.
• Производство этих сплавов.
• Разработка режимов термообработки для улучшения свойств.
• Диагностика проблем в эксплуатации, повышение предсказуемости продукции.

Железо-углеродная диаграмма состояния

Графическое представление микроструктуры сплава Fe-C в зависимости от температуры и содержания углерода. Основа для понимания структуры стали и чугуна. Оба — сплавы железа с углеродом + слеговые примеси. Рассматривают область до 6,67% C (цементит Fe₃C).

Типы железо-углеродных диаграмм

Две версии в зависимости от скорости охлаждения:

1. Железо-цементитная (местабильная) — быстрые охлаждения → цементит. Структуры не достигают полного равновесия.
2. Железо-графитная (устойчивая) — медленные охлаждения → графит. Структуры достигают полного равновесия.

Классификация ферросплавов на диаграмме

• Железо (чистое) — до 0,008% C. При комнатной температуре — феррита.
• Сталь — 0,008–2,14% C. Низкоуглеродистая (малоуглеродистая), среднеуглеродистая, высокоуглеродистая.
• Чугун — >2,14% C. Очень твёрдый, но хрупкий, ограниченное применение.

Железо-цементитная система (местабильная диаграмма)

Построена по критическим точкам на кривых нагрева/охлаждения сталей разного углеродистости. Критические точки на линиях: PSK — A₁, GS — A₃, SE — A_cm. Позволяет определить температуры закалки для любой углеродистой стали.

Основные фазы и превращения

Аустенит (γ-Fe)

Твёрдый раствор углерода в γ-железе (ФЦК). Немагнитный. До ~2% C при 1130 °C. При охлаждении ниже A₃ (линия GS) выпадает феррита (α-Fe, ОЦК, до 0,008% C). При дальнейшем охлаждении до A₁ (линия PSK) остаточный аустенит превращается в перлит — чередующиеся пластинки феррита и цементита (~87% феррита). Перлит может быть ламеллярным (тонким/крупным) или гранулярным. Хорошо режущийся Bestandteil.

Эвтектойдная сталь

При ~0,8% C (точка S) феррит не выпадает из аустенита → 100% перлит. Это эвтектойдный состав.

Эвтектойдная точка

Наименьшая температура превращений в твёрдом растворе. При углероде >0,8% появляется линия A_cm — температура начала выпадения цементита (Fe₃C) из аустенита вместо феррита. Цементит — сверхтвёрдый, хрупкий, пластинчатый/сферический/обволакивающий перлит. В точке C (4,3% C) эвтектическая смесь — ледебурит (неустойчив, распадается при медленном охлаждении).

Гипо- и гиперевтектойдные стали

Гипоэвтектойдные — <0,8% C (феррит + перлит).
Гиперевтектойдные — >0,8% C (цементит + перлит).
Терминология для обычных и слаболегированных сталей. В высоколегированных эвтектойдный состав смещается.

Истинное равновесие — Fe-графит, но цементит метастабилен и при обычных условиях сохраняется вечно. В сталях (0,03–1,5% C) графитизация затруднена, поэтому практическое значение имеет метастабильная Fe-Fe₃C диаграмма.

Железо-графитная система (устойчивая диаграмма)

Цементит распадается: Fe₃C → 3Fe + C (графит). При малом переохлаждении при застывании чугуна выделяется свободный графит. Медленное охлаждение способствует графитизации. Быстрое — подавляет её, даёт цементит.

Пример сплава 3,5% C:
Точка 1 — жидкость. Точка 2 — начало выделения аустенита. Между 2 и 3 — избыточный углерод выпадает как графит (не цементит). Точка 3 — эвтектойдное превращение аустенита (0,8% C) → феррит + цементит (перлит). Механизм: диффузия углерода на границах зёрен аустенита, рост пластинок феррита и цементита → перлит. Графитизация управляется скоростью охлаждения и легированием.

Основные термины диаграммы Fe-C

Эвтектическая точка

Наименьшая температура плавления жидкого раствора данного состава. Жидкость → два твёрдых фазы. Лево — гипоэвтектические, право — гиперевтектические сплавы.

Аустенит

Твёрдый раствор C в ФЦК γ-Fe. Макс. растворимость 2,14% C. При нагреве >1395 °C → ОЦК феррит. Неустойчив ниже 727 °C без быстрого охлаждения.

α-Железо (феррит)

Твёрдый раствор C в ОЦК α-Fe. Устойчив при комнатной температуре. На диаграмме — узкая область слева. Магнитный ниже 768 °C. Макс. C 0,022%. При 912 °C → γ-аустенит.

Цементит (Fe₃C)

Местабильная фаза постоянного состава. При комнатной температуре крайне медленно распадается на Fe + C (графит). Время распада >> срока службы. Высокие температуры и легирующие элементы ускоряют графитизацию. Твёрдый, хрупкий — усиливает сталь. Свойства определяются микроструктурой смеси с ферритом.