Диаграмма состояния системы железо – углерод (Fe-C)

 Начало изучения диаграммы состояния системы железо – углерод связано с открытием критических точек в стали Д. К. Черновым в 1868 г.

На рис.  приведена полная диаграмма состояния системы

(стабильная система железо-углерод Fe—Сгр и метастабильная система железо - цементитFe—FeC).

Метастабильная системаFe—Fe3C. Перитектическое превращение δ+ж↔γ протекает при 1494±2°С.

Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка Н) отвечает 0,1 % (по массе), или 0,46% (ат.).

Для точки A приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.), для точкиВ — значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа , линия ликвидусδ-фазыАВ — почти прямая, точкеВ соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Feсоставляет 0,5 % (эт.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°С, точке1 отвечает 0,18 % (но массе), или 0,83 % (эт.).

Кривая ликвидус аустенитаВС, установленная по данным Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др.

Предельная растворимость углерода в γ-Fe при 1147°С составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.) ; при 1150°С 2,02% (по массе), или 8,7 % (ат.).

Кривая ликвидус цементитаCD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5 % (по массе) С, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe3C->Fe+Crp) . По расчетным данным, виртуальная Температура плавления цементита оценивается равной 1200—1450 °С .

Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250—1300° С.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7 % (по массе) С после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено . Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбидыFe7C3, Fe2C и Салм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидовFeхC (Fe2C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закаленной стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°С, эвтектике (точке С) соответствует 4,30%

(по массе), или 17,28 % (ат.) С .

Превращение у↔а (A3, криваяGS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка,  находится при 723 °С и 0,76 % (по массе), или 3,44% (ат.). растворимость цементита в α-Fe(кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095 % (ат.) растворимость цементита в a-Feпри 723 °С равна 0,025 % (по массе).

Кристаллическаяструктура. Феррит имеет о. ц. к. структуруa-Fe. Период решеткиa-Feравен 0,2862 им при 20 °С и линейно возрастает до 0,2899 нм при 910 °С . При 769 °С (точка Кюри) ферромагнитное a-Feпереходит в «немагнитное α-Fe» (точнее, в упорядоченное антиферромагнитное β-Fe) . Вследствие малой растворимости углерода в a-Fe[0,02 % (по массе)] период решетки  Тk-феррита практически такие же, как и чистого a-Fe. Атомы углерода в феррите занимают преимущественно октапоры. Выше 1392 °С γ-Fe превращается в парамагнитную δ-фазу, существующую при 1392—1536 °С. Период решетки о. ц. к. δ-Fe равен 0,2925 нм при 1392 °С и линейно растет до 0,2935 нм при 1536 °С . Температурная зависимость периода решетки для α-(β-) и γ-Fe различны. Период решетки δ-феррита с повышением температуры увеличивается сильнее, чем α (β)-фазы и, по-видимому, растет с увеличением содержания углерода.

Аустенит имеет г. ц. к. структуруγ-Fe. Период решеткиγ-Fe линейно возрастает от 0,3637 нм при 911 °С до 0,368 нм при 1390 °С . углерод растворяется в γ-Fe в виде С4+ и занимает октапоры, образуя твердые растворы внедрения. С увеличением содержания углерода в аустените период решеткиγ-фазы увеличивается.

Цементит Fe3C имеет ромбическую структуру.Периоды решетки: а=0,45244±0,0005 нм, b = 0,50885±0,0005 нм, с=0,67431± ±0,0005 нм; Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитное состояние(Тс) равна 215°С .

Карбид Fe7C3 получен только при высоких давлениях. Он имеет гексагональную структуру типа Сr7С3.

Периоды решеткиа=0,6882 нм, с= 0,4540 нм. Установлено существование метастабильного карбидаFe2C

(ε-карбид), выделяющегося при отпуске стали. При 150—200°С из закаленной стали выделяется ε-карбид с гексагональной решеткой, имеющей периоды а=0,627 нм, с=0,214 нм. Высшие карбиды весьма неустойчивы и при построении диаграммы состояния при нормальных условиях не учитываются.

 

 

    Источники:
  1. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия, 1986 г.
  2. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. под ред. Шухардина С.В. Наука, 1979 г.
  3. Диаграммы состояния двойных металлических систем ред. Лякишева Н.П.Машиностроение, 1996-2000 г.