Диаграмма состояния железо - цементит

Диаграмму состояния железо - углерод чаще всего представляют в интервале концентраций от железа до цементита. При этом ось абсцисс (концентрационная) на диаграмме, как правило, даётся двойной, показывая содержание углерода и цементита.

Об открытии критических точек в стали Д.К Черновым в 1868 году и начале изучения диаграммы железо - углерод см. страницу Диаграмма железо - углерод.

Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит 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.

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

Метастабильная система железо - цементит (Fe - Fe₃C)

Перитектическое превращение δ+Ж↔γ протекает при 1494±2°C. Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка H) отвечает 0,1% (по массе), или 0,46% (ат.). Для точки J приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.); для точки B - значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа, линия ликвидус δ-фазы AB - почти прямая, точке B соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Fe составляет 0,5% (ат.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°C, точке J отвечает 0,18% (по массе), или 0,81% (ат.).

Кривая ликвидус аустенита BC установлена данными Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др. Почти прямолинейный вид 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).

Метастабильная система Железо - Цементит проявляется только при содержании углерода до 6,67% (по массе) С (Fe₃C). При высоких давлениях цементит Fe₃C стабилизируется и появляется карбид Fe₇C₃, находящийся в равновесии с алмазом. Метастабильная система Железо - Цементит представляет фрагмент полной диаграммы Железо - Алмаз, проявляющейся полностью только при высоких давлениях, когда стабильными становятся карбиды Fe₃C, Fe₇C₃ и алмаз. Цементит имеет узкую область гомогенности, изображаемую обычно вертикально.