Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Железо — металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8—99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α - железа существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис.1).

Рис.3. Кривая охлаждения чистого железа

В интервале температур 1392 - 1539 °С α - железо нередко обозначают как δ - железо. Кристаллическая решетка α - железа - объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α - железо магнитно, (ферромагнитно).

Температуру 768 °С, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри. Плотность α - железа 7,68 г/см⁸.

γ - железо существует при температуре 910 - 1392 °С; оно парамагнитно. Кристаллическая решетка g-железа гранецентрированная кубическая (а = 0,3645 нм при 910 °С).

Критическую точку превращения α ↔ γ при 910 °С обозначают со ответственно Аc₃ (при нагреве) и Аr₃ (при охлаждении). Критическую точку перехода γ ↔ α при 1392 °С обозначают Aс₄ (при нагреве) и Ar₄ (при охлаждении).

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500 °С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Так как железо, имеет два полиморфных превращения (при температурах 911 и 1392 °С соответственно, а также образует с углеродом химическое соединение Fe₃C, то в системе существуют следующие фазы (рис.2):

жидкость – жидкий раствор углерода в железе, существует выше линии ликвидус ABCD и обозначается буквой L;

цементит – химическое соединение Fe₃C (карбид железа). В цементите содержится 6,67% углерода. Однофазная область существования цементита представляет собой вертикальную линию DFKL и обозначается в дальнейшем химической формулой или буквой Ц. цементит очень твердая, хрупкая фаза со сплошной ромбической решеткой и твердостью НВ 800 кг/мм².

феррит – твердый раствор углерода в α- или в d-железе с решеткой ОЦК. Соответственно различают низкотемпературный α-феррит с максимальной растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с максимальной растворимостью углерода 0,1% при Т = 1499 °С. Область α-феррита в системе железо-углерод расположена левее линии GPQ,а d-феррита – левее линии AHN; феррит обозначается буквой Ф, или в виде фаз α, δ. Феррит мягкая эластичная фаза с твердостью НВ 80 кг/мм².