Диаграмма Fe-C: построение, фазы и применение в металлургии

[Liza]

Диаграмма Fe-C показывает, как меняется структура сплавов железа с углеродом при разных температурах и составах. Она помогает предсказывать фазовые превращения в сталях и чугунах. Это базовый инструмент для металлургов, чтобы выбрать правильный режим обработки.

С её помощью решают задачи по термообработке, литью и контролю свойств металла. Без понимания диаграммы сложно добиться нужной прочности или пластичности. Давайте разберём, как она строится и где применяется на практике.

Основные линии и области диаграммы

Диаграмма Fe-C, или железо-цементит, отображает метастабильную систему Fe-Fe3C. Она строится на основе экспериментов по равновесным превращениям при медленном нагреве и охлаждении. Ось абсцисс - содержание углерода от 0 до 6,67%, ось ординат - температура до 1600°C. Ключевые линии делят её на области с разными фазами.

Линия ACD - это ликвидус, выше которой сплав жидкий. Ниже - твердые фазы, ограниченные линией солидуса AECF. Пример: для стали с 0,5% C кристаллизация начинается при 1500°C и заканчивается при 1400°C. Это позволяет рассчитывать режимы литья. Правило фаз Гиббса - C = k - f + 1 - помогает определить соотношение фаз в двуфазных областях.

• Ликвидус (ACD): начало кристаллизации, зависит от %C.
• Солидус (AECF): полная затвердевание сплава.
• Эвтектика (1147°C, 4,3% C): жидкость превращается в аустенит + ледебурит.
• Эвтектоид (727°C, 0,8% C): аустенит -> перлит.

Область	Фазы	Содержание C	Пример сплава
Жидкость	L	>4,3%	Чугун
Аустенит	γ-Fe	0-2%	Сталь
Феррит	α-Fe	<0,02%	Низкоуглеродистая сталь

Фазы и структурные составляющие

Фазы в диаграмме Fe-C - это твердые растворы и соединения. Аустенит (γ-Fe) - высокотемпературная ОГФ-решетка, растворимость C до 2% при 1147°C. Он пластичен, подходит для горячей деформации. Феррит (α-Fe) - ОЦК-решетка, мало растворяет C (0,02% max), мягкий и магнитный.

Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита (Fe3C), образуется при 727°C. Цементит - твердый (твердость 800 HB), хрупкий. Ледебурит - эвтектика аустенита + цементит при 4,3% C. Для сплава 5% C при охлаждении: жидкость -> аустенит + L -> аустенит + ледебурит.

Пример кривой охлаждения для 5% от 1600°C жидкость, на ликвидусе - δ-феррит, затем аустенит, на эвтектике - ледебурит. Используем правило фаз для % фаз: правило - доля фаз по рычагу.

• α-феррит: мягкий, до 0,02% C, для конструкционных сталей.
• γ-аустенит: расширяется легировкой (Ni, Mn).
• Цементит: повышает твердость, но снижает пластичность.
• Перлит: баланс прочности и вязкости.

Построение кривой охлаждения и правило фаз

Кривую охлаждения строят для конкретного %C, проводя изотермы через диаграмму. Для стали 0,4% ликвидус ~1490°C (первичный аустенит), солидус ~1400°C, затем аустенит -> феррит + аустенит при 727°C. Медленное охлаждение дает равновесную структуру.

Правило фаз определяет свободы: в одnofазной области C=1 (температура), в двухфазной C=0 (температура фиксирована). Для 5% C при 1200°C: изотерма пересекает γ + L, %L = (5-1,5)/(2,1-1,5) x 100%. Это точно рассчитывает структуру.

При заэвтектоидных сталях (>0,8% C) перлит + вторичный цементит. Доэвтектоидные - феррит + перлит. В чугунах (>2,14% C) - ледебурит + графит (в стабильной системе).

1. Выберите %C и начальную T.
2. Проведите изотермы по линиям.
3. Рассчитайте фазы по рычагу.
   Нюанс: диаграмма метастабильная, для графита - Fe-C стабильная.

Сплав (%C)	Структура при комнатной T	Твердость
0,2	Феррит + перлит	150 HB
0,8	Перлит	250 HB
4,3	Ледебурит + цементит	600 HB

Практическое применение в производстве

Диаграмму используют для режимов термообработки: закалка из аустенитной области дает мартенсит. Отжиг - для перлита. В литье определяют T заливки по ликвидусу. Для чугуна 3,5% C - 1250°C.

Легирование меняет диаграмму: Cr расширяет феррит, Ni - аустенит. Это для нержавеющих сталей. Контроль микроструктуры предотвращает трещины. В нефтегазе - для труб, в энергетике - турбин.

• Термообработка сталей.
• Расчет литья чугунов.
• Разработка легированных сплавов.

Что скрывает стабильная система Fe-C

Метастабильная Fe-Fe3C - основа, но стабильная Fe-графит дает ковкий чугун. Графитизаторы (Si) распадают цементит. Это расширяет применение: серый чугун для корпусов.

Дальше - влияние скорости охлаждения на структуру, неравновесные диаграммы. Стоит изучить ТТТ-диаграммы для точной термообработки.