Диаграмма Железо-Углерод

Диаграмма Железо-Углерод" title="Диаграмма Железо-Углерод"> Начало изучения диаграммы железо-углерод связано с открытием критических точек в стали Д.К.Черновым в 1868 г. [Чернов Д.К. – Избранные труды по металлургии и металловедению. М.: Наука, 1983. 447 с.]. Исторический обзор исследований диаграммы железо-углерод приведён в работе [Тыркель Е. – История развития диаграммы железо-углерод. М., Машиностроение, 1968, 221 с.].

На рисунке 1 приведена полная диаграмма состояния системы (стабильная система Fe-C_гр и метастабильная система Fe-FeC).

Диаграмма состояния железо-углерод даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

В работе «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же предмету» Дмитрий Константинович Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода. Другими словами, Чернов дал первое представление о диаграмме железо-углерод.

Впоследствии свои высказывания о влиянии углерода на положение критических точек Чернов изобразил графически, воспроизведя очертание важнейших линий диаграммы железо-углерод.

Д.К. Чернов определял положение критических точек на глаз, по цветам каления стали. Знаменитый французский исследователь Ф. Осмонд, воспользовавшись только что изобретённым Ле-Шателье пирометром, определил положение критических точек, описал характер микроструктурных изменений при переходе через критические точки и дал названия основных структур железоуглеродистых сплавов, употребляющихся и сейчас.

Образование твёрдых растворов при нагревании было установлено Р. Аустеном (Англия), что было доказано прямым металлографическим анализом Ле-Шателье (Франция), А.А. Байковым и Н.Т. Гудцовым (Россия).

Используя эти данные, а также разработанную теорию фазовых равновесий Д. Гиббса (Канада), голландский учёный Розебум, а также и Р. Аустен представили первый вариант диаграммы железо-углерод. Неполнота сведений, которыми располагали эти исследователи, не позволила им построить диаграмму во всех областях, отвечающих действительному фазовому равновесию. Лишь к концу XIX века немецкий учёный П. Геренс, использовавший опыт своих предшественников и новые данные по микроструктурному и термическому анализу железоуглеродистых сплавов, привёл в своей книге диаграмму железо-углерод, достаточно близко отвечающую современному варианту. Позже были внесены хоть и существенные, но не принципиальные уточнения в диаграмме железо-углерод. Дальнейшие работы по изучению диаграммы железо-углерод продолжаются и сейчас.

Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe₃C; Fe₂C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и линия линии солидус γ-фазы (JE) также подтверждён в работах. Предельная растворимость углерода в γ-фазе при 1147°C составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°C 2,02% (по массе), или 8,7% (ат.).

Обычно из расплавов, содержащих более 0,51% (по массе) C, выделяется γ-фаза. Однако при переохлаждении расплавов, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, наблюдалась кристаллизация δ-фазы по метастабильному ликвидусу BB' и солидусу HH' с последующей перекристаллизацией пересыщенной углеродом δ-фазы в равновесную γ-фазу по реакции ж_δ+δ_{пересыщ}→ж_γ+γ, что указывает на существование в расплавах, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, смешанного ближнего порядка ж_δ+δ→ж_γ+γ.

Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5% (по массе) C, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe₃C→Fe+C_гр). По расчётным данным, виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°C. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250-1300°C.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7% (по массе) C 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 карбиды Fe₇C₃, Fe₂C и C_алм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов Fe_xC (Fe₂C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закалённой стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°C, эвтектике (точке С) соответствует 4,30% (по массе), или 17,28% (ат.) C.

Превращение γ↔α (A₃, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка находится при 723°C и 0,76% (по массе), или 3,44% (ат.) C, а по другим данным, при 727,2±0,5°C и 0,765% (по массе), или 3,46% (ат.). Таким образом, температуры и концентрации для всех характерных точек метастабильной системы Fe-Fe₃C подтверждены последующими работами.

Растворимость цементита в α-Fe (кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095% (ат.) C. Согласно другим данным, растворимость цементита в α-Fe при 723°C равна 0,025% (по массе).

Лит.:

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8)
2. Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. и др. - Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. изд. - М.: Металлургия, 1986. 440 с. - УДК 669.15.017.12(083)