Диаграмма железо-углерод

Урок знакомит с самой важной для техники диаграммой — железо-углерод, определяющей весь мир сталей и чугунов.

Аустенит — твёрдый раствор углерода в ГЦК-железе, существующий при высоких температурах и растворяющий до 2,14 % углерода.

Диаграмма Fe–C (точнее Fe–Fe₃C) — карта, по которой строится вся термообработка стали. Понимание её фаз объясняет, почему доли процента углерода так радикально меняют свойства.

Зачем это инженеру

Граница между сталью и чугуном, выбор температуры закалки, ожидаемая структура после охлаждения — всё читается по этой диаграмме. Без неё нельзя осмысленно термообрабатывать сталь.

Фазы и структуры

Ключевые границы: до 2,14 % C — стали, выше — чугуны. Эвтектоидная точка — 0,8 % C при 727 °C, где аустенит превращается в перлит.

Как работает под капотом

Эвтектоидная реакция аналогична эвтектической, но идёт в твёрдом состоянии: $\gamma \rightarrow \alpha + \text{Fe}_3\text{C}$. В стали с 0,4 % C при медленном охлаждении сначала выделяется феррит, а остаток аустенита (с 0,8 % C) превращается в перлит. Доли посчитаем правилом рычага при температуре чуть ниже 727 °C.

def lever(C0, C_ferrite, C_pearlite):
    W_ferrite = (C_pearlite - C0) / (C_pearlite - C_ferrite)
    W_pearlite = (C0 - C_ferrite) / (C_pearlite - C_ferrite)
    return W_ferrite, W_pearlite

C0 = 0.40         # % C, сталь 40
C_ferrite = 0.02  # углерод в феррите
C_pearlite = 0.80 # углерод в перлите (эвтектоид)

Wf, Wp = lever(C0, C_ferrite, C_pearlite)
print("Доля феррита =", round(Wf*100, 1), "%")
print("Доля перлита =", round(Wp*100, 1), "%")

Вывод:

Доля феррита = 51.3 %
Доля перлита = 48.7 %
Доля феррита = 51.3 %

Сталь с 0,4 % C получается примерно наполовину из мягкого феррита, наполовину из прочного перлита — отсюда сбалансированные свойства конструкционных сталей.

Помимо эвтектоидной точки (0,8 % C, 727 °C), на диаграмме есть эвтектическая точка для чугунов (4,3 % C, 1147 °C), где жидкость превращается в смесь аустенита и цементита — ледебурит. Линии диаграммы имеют устоявшиеся обозначения, и каждая отвечает за своё превращение: линия ликвидуса — начало кристаллизации, солидуса — её конец, линия PSK (727 °C) — эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Чтение этих линий и есть навык металлурга: по составу и температуре он мгновенно называет набор фаз и их доли. Заметьте, что строго это диаграмма метастабильная Fe–Fe₃C; при очень медленном охлаждении вместо цементита может выделяться графит — так получаются серые чугуны.

Частые ошибки

• Путать аустенит и феррит: аустенит — высокотемпературный ГЦК, феррит — низкотемпературный ОЦК.
• Считать цементит фазой со «средним» углеродом — у него строго 6,67 % C.
• Забывать границу 2,14 % C между сталями и чугунами.

Итоги

• Диаграмма Fe–C — основа всей термообработки.
• Феррит мягкий, цементит твёрдый, перлит — их эвтектоидная смесь.
• До 2,14 % C — стали, выше — чугуны; эвтектоид при 0,8 % C и 727 °C.
• Доли структур считаются правилом рычага.