Диаграмма состояния «железо-углерод», основные компоненты и свойства сплавов железа с углеродом (чугун, сталь)

Структура и свойства важнейших для техники сплавов железа и углерода, к которым относятся стали и чугуны, определяются в основном свойствами этих компонентов. На свойства стали и чугуна оказывают также влияние всегда присутствующие в них кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы — кислород, азот, водород и др. Однако условно сплавы Fe—С относят к двухкомпонентным, так как наличие указанных примесей не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния Fe—С. Эта диаграмма, являющаяся сложным сочетанием диаграмм I, III, IV типов, дает возможность видеть все изменения строения сплавов в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов, которые образуют разные структуры. В твердом состоянии железо существует в двух аллотропных формах — a и g. Обе модификации железа растворяют углерод, образуя твердые растворы внедрения. Углерод в сплавах с железом присутствует либо в виде графита, либо в качестве химического соединения Fe₃C (данный карбид железа в сплавах носит название «цементит»). В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образовываться, что зависит от содержания примесей (Si, Мп и др.), а также от скорости охлаждения слитков или отливок. Тогда углерод выделяется в сплавах в виде графита. Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие разным комбинациям в сплаве железа с углеродом от 0 до 6,67 %. При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), имеющее сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

При определенных условиях цементит может распадаться на феррит и свободный углерод (графит).

Перлит — механическая смесь феррита и цементита, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эвтектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

По механическим свойствам перлит занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. При травлении шлифов сталей и чугунов с большим содержанием перлита в структуре их поверхность имеет вид перламутра, что и явилось основанием для его названия.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.

Диаграмма состояния сплавов Fe—С в диапазоне концентраций от чистого железа до цементита представлена на рис. По вертикальной оси диаграммы отложены значения температуры, а по горизонтали — процентное содержание углерода в сплавах. Обычно указываются две шкалы: одна — доля углерода от 0 до 6,67 %, где 6,67 — наибольшее содержание углерода, соответствующее его содержанию в цементите (Fe₃C), а другая — содержание Fe₃C в сплаве (от 0 до 100 %).