Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.
Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит –Fe3C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67% углерода.
Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1
Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.
1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539oС 5oС.
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911 и 1392oС. При температуре ниже 911oС существуетa-Fe с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392oС устойчивым является g-Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется d-Fe или высокотемпературное a-Fe. Высокотемпературная модификация d-Fe не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения точкой А3, а температуру 1392oС превращения - точкой А4.
При температуре ниже 768oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2. (769 С)
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.
2. Углеродотносится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.
Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.
Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит имеет ромбическую решетку: атомы железа расположены по узлам ромбической решетки , а атомы углерода в пустотах между ними. Между атомами железа и углерода в цементите действуют ковалентная и металлическая связи. Область гомогенности цементита очень узкая, и на диаграмме состояния он изображается вертикалью, соответствующей по составу фазе Fe3C.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит (Ф)(C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,0005 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727oС ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.
При температуре выше 1392oС существует высокотемпературный феррит (d) ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499oС (точка J)
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768oС.
3. Аустенит (А)(С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.
Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727oС (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147oС (точка Е).
5o С.
- точкой А4.
, предел текучести –
) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – 
, а относительное сужение – 
). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
(C) – твердый раствор внедрения углерода в 
-железо.
(C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)
) и пластичен (относительное удлинение –
), магнитен до 768o С.
(С) – твердый раствор внедрения углерода в 
-железо.
), парамагнитен.