Фазами в сплавах заліза з вуглецем є : рідкий розчин, тверді розчини ферит і аустеніт, а також цементит і графіт.

Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю в a-залізі. Має ОЦК-гратку, розчинність вуглецю в якій мала. Розрізняють низькотемпературний a-ферит, з розчинністю С до 0,02% і високотемпературний d-ферит, з питомою розчинністю С до 0,1%. Атом вуглецю розташовується в гратці фериту в центрі грані куба, а також у вакансіях, на дислокаціях. Це м’яка, пластична фаза. Нелегований ферит має такі механічні властивості: s_в=-25 30 кгс/мм²; d=50%; Y=80%; a_н=25кгс/см²; НВ=80 90 кгс/мм².

Ферит є магнітним і пластичним, має зернисту будову. Під мікроскопом виявляється у вигляді світлих поліедричних зерен. Аустеніт(А) - твердий розчин впровадження вуглецю в g-залізі. Має ГЦК-гратку. Питома розчинність вуглецю в g- залізі - 2,14% (при Т=1147^оС). Аустеніт не має магнітних властивостей, твердість аустеніту НВ=100 220 кгс/мм².

Цементит (Ц) (карбід заліза) - хімічна сполука заліза з вуглецем (Fe₃C). В цементиті 6,67% вуглецю - інше залізо. Має складну ромбічну гратку з щільним упакуванням атомів. Цементит твердий (НВ=800 кгс/мм²), НRС 70 і крихкий. Т_пл.=1550°С. До температури 210°С цементит феромагнітний. Цементит метастабільна фаза. В умовах рівноваги в сплавах з високим вмістом вуглецю утворюється графіт.

Графіт - вуглець у вільному стані. Графіт має гексагональну шарову кристалічну гратку (а =1,42Å, с=3,40Å). Графіт є електропровідний, хімічно стійкий, маломіцний, м’який (НВ=3кгс/мм²). Структурні складові - ледебурит і перліт - не однорідні і являють собою механічні суміші (евтектика та евтектоїд).

Ледебурит - евтектична суміш аустеніту і цементиту. Утворюється в процесі первинної кристалізації при Т=1147°С, мінімальній температурі кристалізації для сплавів Fe-C. Ледебурит містить 4,3% С. При температурі нижче 727°С складається з перліту і цементиту, НВ=700 кгс/мм².

Перліт - (евтектоїд) - механічна суміш фериту й цементиту. Перліт містить 0,8% С, утворюється при температурі 727°С в процесі розпаду аустеніту:

 

 

Feg(C) → Feα(C) + Fe3C

↑ ↑ ↑

аустеніт ферит цементит

 

 

В залежності від форми частинок цементиту розрізняють перліт пластинчастий і зернистий.

Лінія АВСД – лінія ліквідус. Вище лінії ліквідус сплави знаходяться в рідкому стані та утворюють одну фазу - рідкий розчин. Лінія АНIECF - солідус: вище цієї лінії сплави існують у двохфазному твердо-рідкому стані, поряд з рідким розчином в них присутній аустеніт (область ІІ) або первинний цементит (область III). У сплавах із вмістом вуглецю менше 2,14% після первинної кристалізації утворюється тільки одна фаза - твердий розчин впровадження вуглецю в γ-Fe - аустеніт (область ІV). На лінії ECF, яка відповідає сталий температурі 1147^оС із сплаву вмістом 4,3% С, будуть виділятися одночасно аустеніт і цементит, утворюючи евтектику (ледебурит). Після первинної кристалізації в сплавах із вмістом С > 2% утвориться евтектична суміш ледебуриту з надлишковим аустенітом (область VII) або надлишковим первинним цементитом (область ХII). При подальшому охолодженні в області 7 з аустеніту виділяється цементит вторинний.

У сплавах зі вмістом С< 0,5% при високих температурах, коли залізо існує у вигляді Fe_δ, процес первинної кристалізації протікає з перитектичним перетворенням. Залізо при температурах, які лежать між точками А(плавлення) і відповідною точкою А₄,існує у вигляді Fe_δ. В області АHN існує одна фаза - твердий розчин вуглецю в Fe_δ. Розчинність вуглецю в Fe_δ невелика і складає 0,1% при температурі 1499°С (точка Н).

 

Діаграма стану залізо-цементит

 

Виділення δ - твердого розчину з рідкого відбувається по лінії АВ в області АНВ. Існують дві фази: рідкий розчин і твердий розчин. При температурі, що відповідає горизонтальній лінії НIВ(1499^оС), у сплавах з концентрацією вуглецю від 0,1 до 0,5% протікають перитектичні перетворення, коли розплав, реагуючи з δ-твердим розчином, утворює γ-твердий розчин, в області NНI існують обидва твердих розчини – δ і γ. Через те, що перитектичні перетворення протікають у сплавах Fe-Fe₃C при високих температурах і у малому інтервалі концентрації вуглецю, практичного значення вони не мають.

Вторинна кристалізація.

У сплавах Fe-Fe₃C у твердому стані протікають алотропічні перетворення Feγ і Feα і розпад твердих розчинів γ і α, обумовлений зміною розчинності вуглецю в залізі γ при пониженні температури. Fe_γ при 911⁰С (точка G перетворюється в Fe_α-модификацію, яка розчиняє С в незначній кількості 0,02% при 727^оС). У зв'язку з алотропічним перетворенням, утворений при первинній кристалізації аустеніт нижче лінії РSК існувати не може і при повільному охолодженні розпадається на евтектоїдну суміш (перліт). Виділення фериту відбувається по лінії GS, а вторинного цементиту по лінії SE. Лінія GS є геометричним місцем точок Ас₃ при нагріванні й А₂₃ - при охолодженні, а лінія SE - геометричним місцем точок, що відповідають виділенню з аустеніту вторинного цементиту. Він позначається як А_ст. Закінчення алотропічного перетворення Fe_γ в Fe_α і розпад твердого розчину γ в усіх сплавах (як сталях, так і в чавунах) спостерігається при одній температурі 727^оС; точку, що відповідає цій температурі, позначають А₁ (Ас₁ - при нагріванні і А₂₁ - при охолодженні). Нижче кривої РQ (область IX) відбувається розпад α-твердого розчину з виділенням з нього третинного цементиту.

 

 

I - рідкий розчин; II - рідкий розчин + аустеніт;

III - рідкий розчин + цементит_I; IV - аустеніт;

V - аустеніт + ферит; VI - аустеніт + цементит_II;

VII - ледебурит + аустеніт +цем-т_II; VIII – ферит;

IIX - ферит + цементит_III; X - ферит + перліт;

XI - перліт + цементит_II; XII - лед-рит/перліт + цем-т/ перліт +цем._II

XIII - ледебурит + цементит_I; XIV - лед-рит/перліт + цементит/цем._I

 

В залежності від вмісту вуглецю і мікроструктури, при кімнатній температурі сплави по діаграмі підрозділяють на дві групи: сталі та чавуни. Сплави зі вмістом вуглецю до 2,14% (немає ледебуриту) називають сталями, а зі вмістом вуглецю понад 2,14% (у структурі - ледебурит) - чавунами.

В залежності від концентрації вуглецю та структури, сталі й чавуни поділяють на:

-доевтектоідні сталі (до 0,8% С) - структура ферит +перліт;

-евтектоідну сталь (0,8% С) - структура перліт;

-заевтектоідні сталі (більше 0,8% і до 2,14% С) - структура перліт + цементит вторинний;

-доевтектичні чавуни (2,14 4,3% С) - структура ледебурит/перліт + цементит/ + перліт + цементит вторинний;

- евтектичний чавун (4,3% С) - структура ледебурит;

- заевтектичні чавуни (більше 4,3 і до 6,67% С) - структура ледебурит/перліт + цементит/ + цементит первинний;.

Розглянута діаграма стану Fe-Fe₃C не є рівноважною (є метастабільною), тому що отримана в умовах швидкого охолодження. Якщо залізовуглецеві сплави піддавати дуже повільному охолодженню чи вводити в них кремній та інші елементи, що сприяють графітизації, то замість цементиту може бути отримано вуглець у вільному стані у вигляді графіту, що є продуктом розпаду цементиту по реакції Fe₃C=3Fe+C чи виділяється безпосередньо з рідкого розчину.

Діаграма стану сплавів залізо-графіт зображується пунктирними лініями. Лінії діаграм Fe-Fe₃C і залізо-графіт не співпадають тому, що при всіх температурах межа розчинності графіту в залізі менша, ніж цементиту. Евтектична (1152^о С) та евтектоідна температура в системі графіт вище, ніж у системі Fe-Fe₃C. Діаграма стану залізо-графіт - рівноважна (стабільна). За нею вивчають сірі чавуни, структурною ознакою яких є наявність графіту, що виділяється на структурній основі. На практиці системи Fe-Fe₃C і залізо-графіт зустрічаються разом, наприклад, сірий чавун, структура якого містить і графіт, і цементит, і перліт.

Діаграма стану залізовуглецевих сплавів – найважливіша діаграма в металознавстві і має велике практичне значення. Вона може бути використана при визначенні температур плавлення та кристалізації сталі і чавунів у ливарній справі, температурних інтервалів гарячої обробки сталі тиском, а також температур нагрівання сталі при різних видах хімічної і хіміко-термічної обробки.

А - 210 °С Магнітне перетворення Fe₃C А₃ - GS

А₁- 727 °С Перлітне перетворення A₄ - 1400°С

А₂- 763 °С Магнітне перетворення Fe A_ст - SE