6.2 Фазы в системе железо - углерод

Основными фазами железоуглеродистых сплавов являются жидкие и твердые растворы углерода в железе, графит и цементит.

Твердый раствор внедрения углерода в - и -железе называется ферритом и характеризуется ОЦК решеткой. Высокотемпературный -феррит имеет максимальную концентрацию углерода 0,1%. Максимальная растворимость углерода в -феррите составляет 0,025% при 723°С. Феррит является мягким (около 80 НВ) и пластичным. Он ферромагнитен до 768 °С и парамагнитен при более высоких температурах.

Твердый раствор углерода в -железе называется аустенитом. Он характеризуется ГЦК решеткой. Аустенит, стабилизированный путем легирования, имеет твердость около 200 НВ и высокую упрочняемость. В отличие от феррита, в аустените не наблюдается хладноломкость. Он парамагнитен. Граничная растворимость углерода в аустените – около 2%.

Графит - одна из полиморфных модификаций углерода с гексагональной решеткой, в которой атомы расположены слоями. Между атомами углерода каждого слоя действуют сильные ковалентные связи. Слои находятся на большом расстоянии один от другого, и между ними действуют слабые поляризационные силы.

Цементит - карбид железа Fe₃C со сложной орторомбической решеткой. Силы межатомной связи имеют комплексную, вероятно, ковалентно-металлическую природу. Цементит характеризуется большой твердостью (около 70 HRC ) и хрупкостью. В углеродистых железных сплавах цементит является относительно стойкой (метастабильной) фазой. Стабильной высокоуглеродистой фазой, характеризующейся минимальным значением термодинамического потенциала, является графит (рис.6.2).

Для образования графита необходимо, чтобы в одном участке собралось 100% атомов углерода, поэтому считают, что образование графита выгодно термодинамически и для этого необходимо медленное охлаждение. Для образования цементита достаточно 25% атомов углерода, при этом из объема не удаляются все атомы железа, поэтому такой процесс может произойти быстрее и считают, что образование цементита выгоднее кинетически и происходит при ускоренном охлаждении.