Линии, точки и фазовые области железо—цементита

Диаграмма состояния железо—цементит служит основным инструментом для анализа сплавов на основе железа с углеродом. По ней инженеры и материаловеды прослеживают, какие фазы формируются при заданной температуре и содержании углерода, а также определяют режимы термической обработки. Такой график связывает воедино температурные данные и химический состав, поэтому его чтение лежит в основе изучения сталей и чугунов. Ниже разобраны разновидности диаграмм состояния, две системы железа с углеродом, а также ключевые линии, точки и фазовые области.

Разновидности диаграмм состояния сплавов

Форма диаграммы определяется тем, как составляющие сплава взаимодействуют между собой в жидком и твердом виде. По числу компонентов такие построения разделяют на три группы.

1. Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу, на которую нанесены точки фазовых превращений.
2. Двухкомпонентная диаграмма дополняется осью химического состава: один ее край отвечает чистому компоненту А, противоположный - чистому компоненту В, а промежуточные точки соответствуют сплавам с разным соотношением этих составляющих.
3. Трехкомпонентная диаграмма имеет вид равносторонней призмы с тремя гранями, основанием которой служит концентрационный треугольник, а ребрами - температурные оси.

Двухкомпонентные диаграммы, в свою очередь, делятся на четыре характерных типа. Первый описывает сплавы, затвердевающие в виде механической смеси, компоненты которой в твердом состоянии не растворяются и не образуют химических соединений. Второй тип охватывает сплавы с полной взаимной растворимостью и в жидком, и в твердом состоянии. Третий относится к сплавам с ограниченной растворимостью в твердом виде. Четвертый описывает сплавы, образующие устойчивое химическое соединение.

Две диаграммы системы железо—углерод

Присутствие двух высокоуглеродистых фаз - цементита и графита - порождает две самостоятельные диаграммы состояния: метастабильную железо—цементит и стабильную железо—графит. Свободная энергия цементита всегда выше, чем у графита. При этом кристаллическое строение аустенита и цементита весьма близко, тогда как структуры графита и аустенита заметно расходятся. Аустенит и по химическому составу ближе к жидкой фазе: он содержит до 2,14 % углерода, цементит - от 2,14 до 6,67 %, а графит представляет собой чистый углерод. Поэтому выделение цементита из жидкости или аустенита протекает легче, чем образование графита.

Линии диаграммы и их значение

Линии на диаграмме объединяют критические температурные точки, то есть точки фазовых превращений для сплавов различного состава, и характеризуют изменения при соответствующих температурах.

• Линия ABCD - ликвидус, обозначающий начало рекристаллизации расплава.
• Линия AHJECF - солидус, отвечающий завершению этого процесса.
• Линия CD соответствует первичному цементиту, который выделяется из жидкости при высокой температуре и обладает крупнокристаллической структурой.
• Линия ES отражает вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при высоких температурах и активной диффузии; он формируется в виде сеток по границам зерен и имеет мелкокристаллическое строение.
• Линия PQ соответствует третичному цементиту, который выделяется из феррита при сравнительно невысокой температуре мелкозернистыми включениями внутри феррита.
• Линия DFK отвечает постоянному содержанию углерода 6,67 %.

Точка А фиксирует температуру плавления чистого железа - 1536 °C. Точки G и N отвечают полиморфным превращениям, а точка Е - максимальному содержанию углерода в аустените при 1147 °C. Линия PSK соответствует перлитному превращению, а линия MO отмечает точки Кюри при 768 °C. На линии GOS завершается растворение феррита в аустените, а на линии SE - растворение вторичного цементита в аустените.

Три горизонтали и главные реакции

Горизонтальные линии HJB, ECF и PSK указывают на процессы, идущие при постоянной температуре. При 1499 °C вдоль линии HJB протекает перитектическая реакция. На линии ECF развивается эвтектическая реакция. Горизонталь PSK отвечает эвтектоидному превращению, продуктом которого становится эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлит. Чаще всего перлит имеет пластинчатое строение из чередующихся пластин цементита и феррита.

Однофазные и двухфазные области

К однофазным участкам диаграммы относят жидкий расплав выше линии ABCD, феррит в областях ANH и GPO, а также аустенит в области JESGN. Двухфазные зоны представлены следующими сочетаниями: AHB - равновесие жидкого расплава и кристаллов феррита; NJH - равновесие кристаллов аустенита и феррита; JECB - равновесие расплава и кристаллов аустенита; CDF - равновесие кристаллов цементита и жидкости; SECFK - равновесие кристаллов цементита и аустенита. Такое деление поля позволяет для каждой температуры и концентрации точно определить, какие фазы находятся в равновесии.