2. Диаграмма состояния «Fe – c»

2.1. Компоненты, фазы и структуры в системе «Fe – c»

Железо (Fe) – металл серебристо-белого цвета, температура плавления 1539 °С. Железо может находиться в двух полиморфных модификациях. При температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С железо имеет объемно центрированную кристаллическую решетку и обозначается как α-железо (Fe_α), а в интервале температур 910...1392 °С – гранецентрированную кубическую решетку и обоз­начается как γ-железо (Fe_γ). Высоко-температурную модификацию железа, т.е. выше 1401 °С, называют иногда δ-железом (Fe_δ). До температуры 768 °С железо – магнитно (точка Кюри).

Углерод (С) – неметаллический элемент. В обычных условиях он находится в виде графита, имеюще­го гексагональную кристаллическую решетку, но может иметь и мо­дификацию алмаза со сложной кристаллической решеткой. Температура плавления графита 3500 °С. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может обра­зовывать с железом химическое соединение Fe₃C и находится в сво­бодном состоянии в виде графита (Г). Поэтому в системе «Fe – C» различают следующие фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α, максимальная растворимость углерода в Fe_α при температуре 727 °С составляет 0,02%, а при комнатной тем­пературе около 0,006%. Феррит – самая мягкая и пластичная фаза железоуглеродистых сплавов. Твердость феррита НВ 60...130, предел прочности при растяжении σ_В ≈ 250 Н/мм², относительное удлинение δ = 45...50%.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Максимальная растворимость углерода в Fe_γ = 2,14% при температуре 1147 °С, минимальная – 0,8% при 727 °С. При охлаждении аустенит распадается на феррито-цементитную смесь. В структуре большинства сталей аустенит может находиться только при высоких температурах. В структуре некоторых легированных сталей аустенит может присутствовать и при комнатных температу­рах. Такие стали по структуре называют аустенитными. Аустенит немагнитен, пластичен δ = 40...50%, его твердость НВ 160...200 .

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита с цементитом, образовавшаяся при рас­паде твердого раствора – аустенита. Содержание углерода в перлите – 0,8%. Перлит может быть пластинчатым (феррит и цементит имеют вид пластинок), получающимся при быстром охлаждении, и зернистым (включения цементита в ферритной основе имеют зернистую форму), получающимся при медленном охлаждении. Пластинчатый перлит имеет σ_В = 950...1100 Н/мм², δ = 7%, НВ 180...280. Зернистый перлит имеет меньшую твердость и прочность, но более высокую пластичность и лучшую обрабатываемость резанием σ_В = 650 Н/мм², δ = 20%, НВ 140...200.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃С. Содержание углерода в цементите 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1500…1550 °С. Цементит является самой твердой (НВ 800…850) и хрупкой фазой нелегированных железоуглеродистых сплавов δ = 0%.

В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод, образуя однородный жидкий раствор (Ж), минимальная растворимость углерода в жидком растворе 4,3% при температуре 1147 °С.

Ледебурит (Л) – аустенито-цементитная смесь эвтектического состава, кристалли­зующаяся из жидкого раствора при температуре 1147 ^оС, с концентрацией 4,3% углерода. При температуре ниже 727 °С аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Вследствие этого при температуре ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость (НВ 500...700) и очень хрупок.

Помимо перечисленных фаз и структур, в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения, например оксиды, нитриды, сульфиды, фосфиды, графит.