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 цементит.

Рассмотрение метастабильной системы F-Fe₃C вынесено на отдельную страницу Диаграмма состояния железо - цементит.

Стабильная система железо - углерод (графит)

Начало кристаллизации определяет линия ликвидус δ-фазы AB и γ-фазы BC', а в заэвтектической области - линия ликвидус графита C'D', экспериментально установленная до 2887° и 7,5% (по массе) углерода, или 35% (ат.) углерода. При дальнейшем повышении содержания углерода и давлении ρ=1 ГПа, подавляющем парообразование железа, ликвидус продолжается вплоть до температуры плавления графита. Эвтектическое превращение ж↔γ+C_гр происходит при 1153°C. Горизонталь E'C'F' экспериментально продолжена от 2,88 до 27% (по массе), или 65% (ат.) углерода и экстраполирована далее до 100% C_гр. Графитовая эвтектика C' содержит 4,25% (по массе), или 17,1% (ат.) углерода, что подтверждено экстраполяцией кривой растворимости графита C'D' на эвтектическую горизонталь.

В работе [2] полностью определена стабильная диаграмма состояния системы железо-углерод.