Диаграмма состояния железо-углерод (Fe-Fe3C): первичная кристаллизация и структура сплавов

Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe3C) является фундаментальным инструментом в материаловедении, описывающим фазовые равновесия в зависимости от температуры и концентрации углерода. На представленной схеме (см. рис. 4.2) отображены процессы как первичной, так и вторичной кристаллизации. Настоящий анализ сосредоточен на области первичной кристаллизации, ограниченной критическими кривыми. Эти процессы на диаграмме визуализируются двумя ключевыми линиями: A CD и A ECF, которые определяют начало и конец затвердевания сплавов.

Рис. 4.2. Диаграмма состояния сплавов Fe— Fe3C в упрощенном виде: жидкий сплав; А — аустенит; П — перлит; Ф — феррит; Ц — цементит Ц_I - первичный; Ц_II — вторичный); Л — ледебурит

Кривая ACD представляет собой линию ликвидуса диаграммы железо-углерод. Она соответствует температурам, при которых различные железоуглеродистые сплавы начинают процесс затвердевания из жидкой фазы. Противоположная ей кривая AECF является линией солидуса и отмечает температурный диапазон полного завершения кристаллизации. Участок линии AE относится к сталям, в то время как сегмент ECF описывает поведение белых чугунов. Ключевые точки диаграммы включают точку A (плавление чистого железа при 1539 °C) и точку D (плавление цементита при 1600 °C).

Важнейшей характеристикой является точка E, которая обозначает максимальную растворимость углерода в аустените при высоких температурах. Точка C идентифицирует состав эвтектики с содержанием углерода 4,3%, формирующейся при температуре 1147 °C. Вся линия ECF носит название эвтектической, поскольку в любой ее точке происходит образование эвтектической смеси, известной как ледебурит. Этот процесс протекает при постоянной температуре, что является классическим признаком эвтектического превращения.

В области первичной кристаллизации, вдоль линии AC, из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы аустенита – твердого раствора углерода в γ-железе. Для сплавов с концентрацией углерода до 2,14%, классифицируемых как углеродистые стали, процесс завершается формированием однородной аустенитной структуры. В сплавах с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%, называемых доэвтектическими чугунами, кристаллизация также заканчивается образованием аустенита, но с последующими превращениями при охлаждении ниже 1147 °C. На линии EC происходит формирование эвтектики (ледебурита) и начинает выделение вторичного цементита.

Для сплавов с содержанием углерода свыше 4,3%, относящихся к заэвтектическим чугунам, первичная кристаллизация протекает иначе. На участке линии CE из жидкой фазы первоначально выделяется избыточный компонент – цементит, который в данном контексте именуется первичным цементитом. Его состав (6,67% C) существенно отличается от эвтектического. При достижении линии CF оставшийся расплав затвердевает с образованием ледебурита. Таким образом, конечная структура после первичной кристаллизации состоит из первичного цементита и эвтектической смеси.

Итоговые структурные составляющие определяют технологические свойства материалов. Стали, обладающие однородной структурой аустенита после кристаллизации, характеризуются высокой пластичностью и вязкостью. Это позволяет успешно подвергать их обработке давлением в горячем состоянии. В отличие от них, белые чугуны содержат в своей структуре твердый и хрупкий ледебурит. Наличие этой фазы делает невозможной механическую обработку давлением даже при повышенных температурах. Именно появление ледебурита при содержании углерода выше 2,14% служит ключевым критерием для разделения сталей и белых чугунов на диаграмме состояний. Эта граница имеет фундаментальное значение для прогнозирования свойств и выбора технологических процессов обработки железоуглеродистых сплавов.

Ледебурит, будучи эвтектикой, представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита в момент своего образования. Его формирование является изотермическим процессом, что объясняет горизонтальный характер эвтектической линии ECF на диаграмме. Понимание фазового состава при различных температурах и концентрациях углерода позволяет не только предсказывать структуру сплава, но и целенаправленно управлять его свойствами с помощью термической обработки. Диаграмма Fe-Fe3C остается основой для разработки и оптимизации всех видов сталей и чугунов, используемых в современной промышленности.