Методическое руководство по выполнению контрольной работы: Диаграмма состояния Fe-Fe₃C и железоуглеродистые сплавы

В современном машиностроении и инженерии, где надежность и долговечность материалов являются краеугольным камнем успеха, понимание диаграммы состояния железо-углерод становится не просто академическим упражнением, но критически важным навыком. Способность инженера прогнозировать поведение металла при различных температурных режимах и модифицировать его свойства путем изменения химического состава и термической обработки напрямую зависит от глубокого освоения этой фундаментальной диаграммы. Данное методическое руководство призвано стать вашим незаменимым спутником в освоении диаграммы Fe-Fe₃C, предлагая не просто поверхностное описание, а исчерпывающий, детализированный анализ, который поможет успешно выполнить контрольную работу и заложить прочный фундамент для будущей профессиональной деятельности. Мы не только раскроем теоретические основы, но и предложим практические алгоритмы, числовые примеры и конкретные данные, заполняя «слепые зоны», часто упускаемые в стандартных учебниках.

Теоретические основы материаловедения

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C: Общие сведения и значение

Диаграмма состояния железо-углерод, более точно называемая диаграммой железо-цементит (Fe-Fe₃C), представляет собой своеобразную «карту» материаловедения, на которой графически отображаются фазовые состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава (концентрации углерода) и температуры. Это ключевой инструмент для любого специалиста, работающего с металлами, поскольку она позволяет предсказывать, какие фазы и структурные составляющие будут присутствовать в сплаве при заданных условиях, и, как следствие, какие механические свойства он будет иметь.

Важно отметить, что в большинстве практических приложений мы сталкиваемся именно с метастабильной диаграммой Fe-Fe₃C. Почему метастабильной? Потому что карбид железа (цементит, Fe₃C) является относительно неустойчивым соединением, которое при длительном воздействии высоких температур или при очень медленном охлаждении может разлагаться на железо и графит. Этот процесс описывается так называемой стабильной диаграммой железо-графит. Однако для подавляющего большинства промышленных сталей и чугунов, особенно при стандартных режимах термической обработки, превращения протекают по метастабильной диаграмме, где цементит сохраняет свою структуру. Таким образом, именно диаграмма Fe-Fe₃C является основой для понимания формирования микроструктуры и свойств таких важнейших конструкционных материалов, как стали и чугуны.

Полиморфизм железа и свойства углерода

В основе уникального поведения железоуглеродистых сплавов лежит феномен полиморфизма чистого железа, то есть его способности существовать в различных аллотропических модификациях с разной кристаллической структурой в зависимости от температуры. Эти изменения решетки критически влияют на растворимость углерода и, соответственно, на фазовые превращения в сплавах.

При температурах от 1539 °С (температура плавления чистого железа) до 1392 °С железо находится в модификации Fe_δ (дельта-железо). Эта фаза обладает объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. При 1499 °С период этой решетки составляет примерно 0,293 нм.

При дальнейшем охлаждении, в интервале температур от 1392 °С до 911 °С, происходит аллотропическое превращение, и железо переходит в модификацию Fe_γ (гамма-железо), известную как аустенит. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку с периодом около 0,365 нм. Эта модификация отличается значительно большей способностью растворять углерод, что является ключевым для формирования сталей. Важно отметить, что при превращении Fe_α→Fe_γ наблюдается уменьшение объема, а при Fe_γ→Fe_α — увеличение, что имеет важное значение при термической обработке.

Ниже 911 °С железо снова меняет свою кристаллическую решетку на ОЦК и называется Fe_α (альфа-железо). Период решетки α-железа составляет 0,286 нм. Эта модификация, известная как феррит, имеет гораздо меньшую растворимость углерода по сравнению с аустенитом.

Особое место занимает температура 768 °С, известная как точка Кюри (или A₂). При этой температуре происходит магнитное превращение α-железа: выше 768 °С оно парамагнитно, а ниже — ферромагнитно. Важно понимать, что это превращение не сопровождается изменением кристаллической структуры, что отличает его от других аллотропических превращений.

Углерод (С), будучи неметаллическим элементом, играет центральную роль в формировании железоуглеродистых сплавов. Он может внедряться в кристаллическую решетку железа, образуя твердые растворы (феррит и аустенит), а также образовывать с железом прочное химическое соединение — карбид железа (цементит, Fe₃C). Именно концентрация углерода определяет, является ли сплав сталью или чугуном, и во многом формирует его конечные свойства.

Основные фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Для понимания диаграммы Fe-Fe₃C и поведения железоуглеродистых сплавов необходимо четко различать понятия «фаза» и «структурная составляющая». Фаза — это гомогенная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко изменяются. Структурная составляющая — это совокупность фаз, образующих характерную микроструктуру, которую можно наблюдать под микроскопом.

Фазы: Феррит, Аустенит, Цементит

Феррит (Ф или α)

Феррит — это твердый раствор внедрения углерода в α-железе (или δ-железе) с объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. Он является одним из ключевых компонентов большинства сталей и чугунов при комнатной температуре.

Свойства феррита:

• Механические: Феррит очень мягкий и обладает высокой пластичностью. Его предел прочности (σ_В) составляет около 250 МПа, а относительное удлинение (δ) может достигать 50%. Это делает его чрезвычайно податливым для деформации.
• Физические: Обладает высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено его кристаллической структурой и сравнительной чистотой от примесей.
• Магнитные: Феррит является ферромагнитным материалом до температуры 768 °С (точки Кюри), выше этой температуры он становится парамагнитным.
• Твердость: Твердость феррита относительно низка и составляет примерно HB 80-100.
• Растворимость углерода: Максимальная растворимость углерода в α-железе крайне мала. При 727 °С она достигает своего пика в 0,02 % C, а при комнатной температуре снижается до ничтожных значений — менее 0,006 % C. Эта низкая растворимость обусловлена особенностями ОЦК решетки, где свободные межузельные позиции для атомов углерода ограничены.

Аустенит (А или γ)

Аустенит — это твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решеткой. Он существует при более высоких температурах, но может быть стабилизирован до комнатной температуры в легированных сталях (например, аустенитных нержавеющих сталях).

Свойства аустенита:

• Кристаллическая решетка: ГЦК-решетка имеет более плотную упаковку атомов и, что важно, более крупные межузельные пустоты, чем ОЦК-решетка феррита. Это обуславливает значительно большую растворимость углерода.
• Растворимость углерода: Предельная растворимость углерода в аустените достигает своего максимума в 2,14 % C при температуре 1147 °С (точка Е на диаграмме).
• Механические: Аустенит обладает высокой пластичностью, его относительное удлинение может достигать 40-50%. При этом его твердость выше, чем у феррита, и составляет HB 160-200.
• Магнитные: В отличие от феррита, аустенит немагнитен.
• Изменение объема: При превращении Fe_α→Fe_γ (феррит в аустенит) наблюдается уменьшение объема, а при обратном превращении Fe_γ→Fe_α (аустенит в феррит) — увеличение. Эти объемные изменения могут вызывать внутренние напряжения и деформации при термической обработке.

Цементит (Ц или Fe₃C)

Цементит — это интерметаллическое химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) с точным стехиометрическим составом, содержащее 6,67 % C. Это фаза, которая придает железоуглеродистым сплавам высокую твердость, но и хрупкость.

Свойства цементита:

• Состав: Строго 6,67 % углерода.
• Механические: Цементит чрезвычайно тверд (HB 800-820) и очень хрупок, практически не обладает пластичностью. Это свойство делает его как полезным (для повышения износостойкости), так и нежелательным (при чрезмерном количестве он снижает вязкость сплава).
• Магнитные: Цементит слабо магнитен до температуры 210 °С.
• Стабильность: Является метастабильной фазой. При длительном нагреве или очень медленном охлаждении, особенно в присутствии графитизирующих элементов (например, кремния), цементит может разлагаться на железо и графит.
• Типы цементита: В зависимости от условий образования различают несколько видов цементита:
  • Первичный цементит: Выделяется непосредственно из жидкого сплава в заэвтектических чугунах.
  • Вторичный цементит: Выделяется из аустенита в твердом состоянии (в заэвтектоидных сталях и доэвтектических чугунах) по линиям SE.
  • Третичный цементит: Выделяется из феррита при охлаждении ниже 727 °С (по линии PQ) из-за снижения растворимости углерода в феррите.
  • Эвтектический цементит: Является составной частью эвтектики (ледебурита), образуясь одновременно с аустенитом из жидкости.
  • Эвтектоидный цементит: Является составной частью эвтектоида (перлита), образуясь одновременно с ферритом из аустенита.

Структурные составляющие: Перлит и Ледебурит

Перлит (П)

Перлит — это эвтектоидная механическая смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок (или зерен) феррита и цементита. Назван так из-за жемчужного блеска при микроскопическом исследовании.

Образование и состав:

• Перлит образуется в результате эвтектоидного превращения аустенита при температурах ниже 727 °С (линия PSK на диаграмме).
• Независимо от общего содержания углерода в стали, перлит как структурная составляющая всегда содержит 0,8 % углерода, поскольку именно такой состав имеет аустенит в точке S (727 °С), который и распадается на перлит.

Морфология и свойства:

• Может быть пластинчатым (тонкие параллельные пластинки феррита и цементита) или зернистым (цементит в виде отдельных округлых частиц, распределенных в ферритной матрице). Прочность пластинчатого перлита, как правило, несколько выше, чем зернистого.
• Механические: Перлит обладает комбинацией прочности и пластичности, что делает его ценным компонентом сталей. Его твердость составляет HB 180-220. Зернистый перлит при комнатной температуре имеет предел прочности около 800 МПа, относительное удлинение 15% и твердость HB ≈ 160. Пластинчатый перлит более прочен и менее пластичен.

Ледебурит (Л)

Ледебурит — это эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся непосредственно из жидкого сплава.

Образование и состав:

• Ледебурит образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С (линия ECF на диаграмме).
• Он содержит 4,3 % углерода, что соответствует эвтектической точке.

Превращения и свойства:

• При дальнейшем охлаждении ниже 727 °С аустенит, входящий в состав ледебурита, претерпевает эвтектоидное превращение и распадается на перлит. В результате при комнатной температуре ледебурит состоит из перлита и цементита и называется превращенным ледебуритом.
• Ледебурит является обязательной структурной составляющей белых чугунов, придавая им характерную высокую твердость и хрупкость.
• Механические: Обладает большой хрупкостью и очень высокой твердостью (HB 600-700), что обусловлено высоким содержанием цементита.
• Морфология: Цементит в ледебурите при медленном охлаждении может располагаться в виде тонкой оболочки (сетки), которая обволакивает зерна аустенита (а затем перлита), или в виде зернистой формы. Сотовое строение ледебурита, представляющее собой светлые пластинки цементита, пронизанные аустенитом (темные на шлифе), является характерным признаком.

Критические точки и линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C

Понимание критических точек и линий на диаграмме Fe-Fe₃C — это ключ к расшифровке всех фазовых и структурных превращений, происходящих в железоуглеродистых сплавах. Эти линии и точки являются границами, при пересечении которых изменяется фазовый состав, кристаллическая структура и, как следствие, свойства материала.

Критические точки обычно обозначаются буквой «А» (от французского «arret» — остановка), часто с индексами, указывающими на конкретное превращение. При нагреве они обозначаются как Ас, при охлаждении — Ar, что отражает гистерезис превращений.

Рассмотрим основные критические линии и точки:

1. Линии ликвидуса (ABCD): Это верхние линии на диаграмме, которые определяют температуры начала кристаллизации сплава из жидкого состояния при охлаждении. Выше этих линий сплав полностью находится в жидком состоянии.
   • Линия AB (от 1539 °С до 1499 °С) — начало кристаллизации δ-железа.
   • Линия BC (от 1499 °С до 1147 °С) — начало кристаллизации аустенита из жидкого состояния.
   • Линия CD (от 1147 °С до 1227 °С) — начало кристаллизации первичного цементита из жидкого состояния.
2. Линии солидуса (AHJECF): Это нижние линии, которые определяют температуры конца кристаллизации сплава. Ниже этих линий сплав полностью переходит в твердое состояние.
   • Линия AH (от 1539 °С до 1499 °С) — конец кристаллизации δ-железа.
   • Линия HJ (от 1499 °С до 1392 °С) — конец кристаллизации аустенита после первичного выделения δ-железа.
   • Линия JEC (от 1392 °С до 1147 °С) — конец кристаллизации аустенита.
   • Линия ECF (при 1147 °С) — это горизонтальная линия эвтектического превращения. При этой температуре из жидкого сплава с 4,3% углерода образуется эвтектика, называемая ледебуритом. В этой точке число степеней свободы системы равно нулю (С=2-3+1=0), то есть превращение протекает при постоянной температуре и составе фаз.
3. Линия GS (A₃ или Ar₃ при охлаждении): Эта линия определяет температуру начала выделения избыточного феррита из аустенита в доэвтектоидных сталях (с содержанием углерода от 0,02 % до 0,8 %) при охлаждении. Она простирается от 910 °С (для чистого железа) до 727 °С (точка S).
4. Линия SE (A_cm): Эта линия определяет температуру начала выделения вторичного цементита из аустенита в заэвтектоидных сталях (с содержанием углерода от 0,8 % до 2,14 %) при охлаждении. Она начинается в точке S (727 °С) и продолжается до точки E (1147 °С), где аустенит имеет максимальную растворимость углерода (2,14%).
5. Линия PSK (A₁ или Ar₁ при охлаждении): Это важнейшая горизонтальная линия при 727 °С, обозначающая температуру эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит с эвтектоидным содержанием углерода (0,8 % C в точке S) распадается на перлит — механическую смесь феррита и цементита. Как и эвтектическое, эвтектоидное превращение является изотермическим (С=0).
6. Линия PQ: Эта линия, расположенная практически при комнатной температуре (ниже 727 °С), обозначает температуру начала выделения третичного цементита из феррита. Это обусловлено тем, что растворимость углерода в феррите снижается с понижением температуры (от 0,02 % C при 727 °С до менее 0,006 % C при комнатной температуре), и избыточный углерод образует цементит.
7. Линия MO (A₂): Эта линия, расположенная при 768 °С, соответствует точке Кюри для феррита. Как упоминалось ранее, это температура магнитного превращения феррита (из парамагнитного в ферромагнитное состояние) без изменения его кристаллической структуры.

Конода (изотерма) — это горизонтальная линия, проводимая через заданную точку на диаграмме в любой двухфазной области. Конода соединяет точки, определяющие составы равновесных фаз, сосуществующих при данной температуре. Она является ключевым инструментом для применения правила отрезков, позволяющего определить количественное соотношение этих фаз.

Фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении

Понимание того, как фазы и структурные составляющие образуются и изменяются в процессе охлаждения, является центральным элементом изучения диаграммы Fe-Fe₃C. Именно эти превращения определяют конечную микроструктуру и, следовательно, все механические и физические свойства железоуглеродистых сплавов. Важно помнить, что диаграмма описывает равновесные превращения, которые достигаются при очень медленном о��лаждении или нагреве, когда атомы успевают перегруппироваться и достичь энергетически выгодного состояния.

Общие принципы превращений

Процесс охлаждения железоуглеродистых сплавов из жидкого состояния можно условно разделить на две основные стадии:

1. Первичная кристаллизация (затвердевание): Этот этап происходит в температурном интервале между линиями ликвидуса (ABCD) и солидуса (AHJECF). Из жидкой фазы начинают выделяться первые твердые кристаллы.
   • В сплавах, содержащих менее 4,3 % C (доэвтектические сплавы), из жидкости кристаллизуются первичные кристаллы аустенита.
   • В сплавах, содержащих более 4,3 % C (заэвтектические чугуны), из жидкости выделяются кристаллы первичного цементита.
   • При 1147 °С (линия ECF) происходит эвтектическое превращение: оставшаяся жидкая фаза с 4,3 % C одновременно превращается в эвтектику — ледебурит, состоящий из аустенита и цементита.
2. Вторичная кристаллизация (превращения в твердом состоянии): После полного затвердевания сплава продолжаются превращения, обусловленные аллотропическими модификациями железа и изменением растворимости углерода в твердых растворах при понижении температуры. Наиболее значимым является эвтектоидное превращение при 727 °С (линия PSK).

Рассмотрим эти превращения более детально для различных типов сплавов.

Превращения в сталях

Стали содержат от 0,02 % до 2,14 % C.

Доэвтектоидные стали (0,02-0,8 % C)

Возьмем для примера сталь с 0,4 % C.

1. Выше линии ликвидуса: Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. Между ликвидусом и солидусом (линии BC и JE): При охлаждении от линии ликвидуса (BC) из жидкости начинают кристаллизоваться зерна первичного аустенита (А). По мере снижения температуры их количество увеличивается, а концентрация углерода в оставшейся жидкости растет. К линии солидуса (JE) весь сплав затвердевает и состоит из аустенита.
3. Между линией солидуса и линией GS: Сплав полностью аустенитный (А).
4. Ниже линии GS (A₃) до линии PSK (A₁): При пересечении линии GS (например, для 0,4 % C это около 800 °С) из аустенита начинает выделяться избыточный (вторичный) феррит (Ф). Феррит образуется по границам зерен аустенита, а оставшийся аустенит обогащается углеродом.
5. На линии PSK (A₁), при 727 °С: Оставшийся аустенит, который теперь имеет эвтектоидный состав (0,8 % C), претерпевает эвтектоидное превращение и полностью распадается на перлит (П) — механическую смесь феррита и цементита.
6. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Сплав состоит из феррита и перлита. Возможно незначительное выделение третичного цементита из феррита (по линии PQ) из-за крайне низкой растворимости углерода в феррите при комнатной температуре.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Феррит + перлит.

Эвтектоидные стали (0,8 % C)

1. Выше линии ликвидуса: Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. Между ликвидусом и солидусом: Из жидкости кристаллизуется аустенит. К линии солидуса (точка S на диаграмме, 727 °С) весь сплав состоит из аустенита с 0,8 % C.
3. На линии PSK (A₁), при 727 °С: Весь аустенит, имеющий эвтектоидный состав, полностью превращается в перлит.
4. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Сплав состоит из перлита.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Перлит.

Заэвтектоидные стали (0,8-2,14 % C)

Возьмем для примера сталь с 1,2 % C.

1. Выше линии ликвидуса: Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. Между ликвидусом и солидусом: Из жидкости кристаллизуется аустенит. К линии солидуса (например, для 1,2 % C это около 1300 °С) весь сплав затвердевает и состоит из аустенита.
3. Ниже линии SE (A_cm) до линии PSK (A₁): При пересечении линии SE (например, для 1,2 % C это около 900 °С) из аустенита начинает выделяться вторичный цементит (Ц_II). Он обычно располагается по границам зерен аустенита, образуя сетку. Оставшийся аустенит обедняется углеродом.
4. На линии PSK (A₁), при 727 °С: Оставшийся аустенит, который обеднился до эвтектоидного состава (0,8 % C), полностью распадается на перлит.
5. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Сплав состоит из перлита и вторичного цементита.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Перлит + вторичный цементит.

Превращения в чугунах

Чугуны содержат от 2,14 % до 6,67 % C.

Доэвтектические чугуны (2,14-4,3 % C)

Возьмем для примера чугун с 3,0 % C.

1. Выше линии ликвидуса: Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. Между ликвидусом (линия BC) и линией ECF (1147 °С): При охлаждении от линии BC из жидкого сплава кристаллизуется первичный аустенит (А_I). Жидкая фаза при этом обогащается углеродом.
3. На линии ECF, при 1147 °С: Оставшаяся жидкая фаза (с 4,3 % C) претерпевает эвтектическое превращение, превращаясь в ледебурит (Л), состоящий из аустенита и цементита.
4. Между 1147 °С и 727 °С (линия PSK):
   • Из первичного аустенита (А_I) выделяется вторичный цементит (Ц_II) по линии SE.
   • Аустенит, входящий в состав ледебурита, также обедняется углеродом, стремясь к эвтектоидному составу (0,8 % C) к 727 °С.
5. На линии PSK, при 727 °С: Весь аустенит (как первичный, так и в составе ледебурита), достигший эвтектоидного состава, превращается в перлит.
6. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Микроструктура стабилизируется.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Перлит, вторичный цементит и превращенный ледебурит.

Эвтектические чугуны (4,3 % C)

1. Выше 1147 °С: Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. На линии ECF, при 1147 °С: Вся жидкая фаза с 4,3 % C полностью превращается в ледебурит (Л).
3. Между 1147 °С и 727 °С: Аустенит, входящий в состав ледебурита, обедняется углеродом.
4. На линии PSK, при 727 °С: Аустенит в составе ледебурита превращается в перлит.
5. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Сплав состоит из превращенного ледебурита.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Превращенный ледебурит (перлит + цементит).

Заэвтектические чугуны (4,3-6,67 % C)

Возьмем для примера чугун с 5,0 % C.

1. Выше линии ликвидуса (линия CD): Сплав полностью находится в жидком состоянии.
2. Между ликвидусом (линия CD) и линией ECF (1147 °С): При охлаждении от линии CD из жидкого сплава начинают кристаллизоваться кристаллы первичного цементита (Ц_I). Жидкая фаза при этом обедняется углеродом.
3. На линии ECF, при 1147 °С: Оставшаяся жидкая фаза (с 4,3 % C) претерпевает эвтектическое превращение, превращаясь в ледебурит (Л).
4. Между 1147 °С и 727 °С: Аустенит в составе ледебурита обедняется углеродом.
5. На линии PSK, при 727 °С: Аустенит в составе ледебурита превращается в перлит.
6. Ниже 727 °С (до комнатной температуры): Микроструктура стабилизируется.

Конечная микроструктура при комнатной температуре: Первичный цементит + превращенный ледебурит.

Алгоритмы построения кривых охлаждения и расчета фазового состава

Практическое применение диаграммы состояния Fe-Fe₃C часто включает в себя два ключевых аналитических действия: графическое построение кривых охлаждения для конкретного сплава и количественное определение фазового состава при заданной температуре. Эти навыки критически важны для любого материаловеда и инженера.

Построение кривых охлаждения

Кривая охлаждения — это график зависимости температуры сплава от времени в процессе его затвердевания и дальнейших превращений в твердом состоянии. Анализируя форму кривой, можно определить температуры начала и конца фазовых превращений.

Пошаговый алгоритм построения:

1. Определение состава сплава на диаграмме:
   • На оси концентрации диаграммы состояния Fe-Fe₃C (ось абсцисс) найдите точку, соответствующую заданному содержанию углерода в сплаве (С₀).
   • Из этой точки восстановите вертикальный перпендикуляр, проходящий через все температурные области диаграммы до области существования жидкой фазы. Этот перпендикуляр представляет собой фигуративную линию вашего сплава, вдоль которой происходят все превращения при его охлаждении.
2. Подготовка координатной плоскости для кривой охлаждения:
   • Справа от диаграммы состояния постройте новую координатную плоскость.
   • По оси ординат отложите температуру (Т), используя тот же масштаб, что и на диаграмме состояния.
   • По оси абсцисс отложите время (τ). Масштаб по оси времени может быть произвольным, но должен обеспечивать удобное отображение всех превращений.
3. Нанесение критических точек:
   • Перенесите на кривую охлаждения температуры, в которых фигуративная линия вашего сплава пересекает критические линии диаграммы состояния: линии ликвидуса, солидуса, ECF, GS, SE, PSK. Каждое такое пересечение соответствует началу или концу фазового превращения.
4. Построение участков кривой:
   • Участок выше линии ликвидуса: Температура плавно снижается со временем. На кривой охлаждения это будет наклонная линия.
   • Участок между линиями ликвидуса и солидуса: В этом интервале происходит первичная кристаллизация. Поскольку теплота кристаллизации выделяется, скорость охлаждения замедляется, что проявляется в перегибе на кривой охлаждения.
   • Участок на линии эвтектического или эвтектоидного превращения: Если фигуративная линия сплава пересекает горизонтальные линии ECF (1147 °С) или PSK (727 °С), это означает, что превращение является изотермическим. В таких случаях на кривой охлаждения образуется горизонтальная площадка (остановка), поскольку система находится в равновесии, и температура не меняется до завершения превращения.
   • Участок в однофазной или двухфазной области без изотермических превращений: В этих областях температура плавно снижается, что соответствует наклонным участкам на кривой охлаждения.
5. Интерпретация остановок и перегибов: Каждая остановка или перегиб на кривой охлаждения четко указывает на температуру и длительность фазового превращения.
   • Правило фаз Гиббса: Для конденсированных систем (при постоянном давлении, N=1) оно формулируется как С = К — Ф + 1, где С — число степеней свободы, К — число компонентов, Ф — число фаз.
     • Если С = 1 (например, в двухфазной области между ликвидусом и солидусом, К=2, Ф=2), процесс кристаллизации идет при непрерывном охлаждении, и на кривой наблюдается перегиб.
     • Если С = 0 (например, в эвтектической или эвтектоидной точке, К=2, Ф=3), превращение является изотермическим (температура и составы фаз постоянны), и на кривой охлаждения образуется горизонтальная площадка.

Расчет количественного соотношения фаз (правило отрезков)

Правило отрезков, также известное как правило рычага, является фундаментальным инструментом для количественного определения массовых долей фаз, сосуществующих в двухфазной области диаграммы состояния при заданной температуре.

Пошаговый алгоритм применения правила отрезков:

1. Определение точки анализа:
   • Выберите на диаграмме состояния точку, соответствующую заданному составу сплава (С₀) и температуре (T). Эта точка должна находиться внутри двухфазной области.
2. Построение коноды:
   • Через выбранную точку (С₀, T) проведите горизонтальную линию — коноду. Эта конода должна пересечь границы двухфазной области.
   • Точки пересечения коноды с границами области будут соответствовать составам равновесных фаз, сосуществующих при данной температуре. Обозначьте их как С_α (состав фазы α) и С_β (состав фазы β).
3. Применение формулы «рычага»:
   • Представьте коноду как рычаг. Точка, соответствующая составу сплава (С₀), является точкой опоры.
   • Массовая доля каждой фазы определяется отношением длины «плеча рычага», удаленного от этой фазы, к общей длине коноды (длине всего «рычага»).

Массовая доля фазы α (Qα) = (Cβ - C0) / (Cβ - Cα) · 100 %
Массовая доля фазы β (Qβ) = (C0 - Cα) / (Cβ - Cα) · 100 %

• Проверка: Сумма массовых долей фаз должна быть равна 100 % (Q_α + Q_β = 100 %).

Конкретный числовой пример:

Рассмотрим сплав с содержанием углерода С₀ = 0,4 % в двухфазной области «жидкость + аустенит» при некоторой температуре, скажем, 1400 °С.

1. Предположим, что конода, проведенная при 1400 °С через фигуративную линию сплава 0,4 % C, пересекает:
   • Линию ликвидуса (состав жидкой фазы, С_L) в точке с концентрацией углерода 0,8 %.
   • Линию солидуса (состав аустенита, С_А) в точке с концентрацией углерода 0,2 %.
2. Теперь применим правило отрезков:
   • Массовая доля аустенита (Q_{аустенита}):
     Qаустенита = (СL - С0) / (СL - СA) · 100 %
Qаустенита = (0,8 % - 0,4 %) / (0,8 % - 0,2 %) · 100 % = 0,4 / 0,6 · 100 % ≈ 66,67 %
   • Массовая доля жидкой фазы (Q_{жидкости}):
     Qжидкости = (С0 - СA) / (СL - СA) · 100 %
Qжидкости = (0,4 % - 0,2 %) / (0,8 % - 0,2 %) · 100 % = 0,2 / 0,6 · 100 % ≈ 33,33 %
3. Проверка: 66,67 % + 33,33 % = 100 %. Расчет выполнен верно.

Этот пример демонстрирует, как правило отрезков позволяет точно определить количественное соотношение фаз, что является неотъемлемой частью анализа микроструктуры сплавов.

Классификация, маркировка и применение железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы являются основой современной промышленности, находя применение от строительства до высокотехнологичного машиностроения. Их классификация, маркировка и области применения тесно связаны с содержанием углерода и, соответственно, с микроструктурой, определяемой диаграммой Fe-Fe₃C.

Классификация железоуглеродистых сплавов

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы традиционно делятся на три основные группы:

1. Техническое железо: Содержит крайне низкое количество углерода — до 0,02 % C. Обладает высокой пластичностью и мягкостью, но невысокой прочностью.
2. Стали: Сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 % до 2,14 % C. Это наиболее распространенная и разнообразная группа сплавов, обладающая широким спектром свойств, которые могут быть изменены термической и термомеханической обработкой.

Классификация сталей:

• По содержанию углерода:
  • Низкоуглеродистые: До 0,25-0,3 % C (по ГОСТ до 0,25 % C). Обладают высокой пластичностью, хорошо свариваются. Структура — феррит + перлит.
  • Среднеуглеродистые: 0,25-0,65 % C (по ГОСТ от 0,25 % до 0,6 % C). Имеют хорошие прочностные характеристики и достаточную пластичность. Структура — феррит + перлит.
  • Высокоуглеродистые: Свыше 0,65-0,7 % C, до 2,14 % C (по ГОСТ свыше 0,6 % C). Обладают высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Структура — перлит + вторичный цементит (для заэвтектоидных) или только перлит (для эвтектоидных).
• По структурному признаку (после отжига):
  • Доэвтектоидные: 0,02-0,8 % C. Микроструктура — феррит + перлит.
  • Эвтектоидные: 0,8 % C. Микроструктура — перлит.
  • Заэвтектоидные: 0,8-2,14 % C. Микроструктура — перлит + вторичный цементит.
• По качеству (суммарному содержанию серы (S) и фосфора (P)): Эти элементы являются вредными примесями, ухудшающими механические свойства стали.
  • Обыкновенного качества: До 0,06 % S и до 0,07 % P.
  • Качественные: До 0,035 % S и 0,035 % P каждого отдельно.
  • Высококачественные: До 0,025 % S и 0,025 % P.
  • Особо высококачественные: До 0,025 % P и до 0,015 % S.
• По степени раскисления (удалению кислорода при выплавке):
  • Спокойные (сп): Полностью раскисленные, равномерные по составу.
  • Полуспокойные (пс): Частично раскисленные.
  • Кипящие (кп): Нераскисленные, характеризуются выделением газов при затвердевании, что приводит к неоднородности.

3. Чугуны: Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 % до 6,67 % C. Отличаются высокой твердостью и хрупкостью.

Классификация чугунов:

• По содержанию углерода:
  • Доэвтектические: 2,14-4,3 % C.
  • Эвтектические: 4,3 % C.
  • Заэвтектические: 4,3-6,67 % C.
• По форме графитных включений (для серых и высокопрочных чугунов):
  • Серые чугуны (СЧ): Графит имеет пластинчатую форму, что способствует хрупкости.
  • Высокопрочные чугуны (ВЧ): Графит имеет шаровидную форму, что значительно повышает прочность и пластичность.
  • Ковкие чугуны (КЧ): Графит имеет хлопьевидную форму, образующуюся при специальной термообработке белого чугуна.
  • Чугуны с вермикулярным графитом: Промежуточная форма между пластинчатым и шаровидным графитом.

Принципы маркировки сталей и чугунов

Маркировка материалов позволяет быстро идентифицировать их химический состав и основные свойства.

Маркировка сталей (по ГОСТ РФ):

• Углеродистые качественные стали: Обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 45 — это качественная углеродистая сталь, содержащая около 0,45 % C.
• Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества: Обозначаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, указывающими номер марки в зависимости от механических свойств (например, Ст3).
• Легированные стали: Маркируются буквенно-цифровой системой:
  • Первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (если их нет, то содержание углерода > 1%).
  • Буквы обозначают легирующие элементы: Х — хром, Н — никель, Г — марганец, В — вольфрам, М — молибден, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, К — кобальт, Б — ниобий, Д — медь, Ю — алюминий, Р — бор, Ц — цирконий, А — азот.
  • Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в процентах. Если после буквы нет цифры, это означает, что содержание данного элемента около 1 % (для хрома, никеля, марганца, кремния и других элементов, кроме Mo, V, Ti, Cu, Al, Co, B).
  • Примеры:
    • 40Х — сталь, содержащая 0,40 % C и около 1 % хрома.
    • 12ХН3А — сталь, содержащая 0,12 % C, около 1 % хрома, 3 % никеля, «А» указывает на высококачественную сталь.
  • Индексы степени раскисления: В конце маркировки могут стоять индексы: кп (кипящая), пс (полуспокойная), сп (спокойная). Например, Ст3кп.

Маркировка чугунов:

• Серые чугуны: Обозначаются СЧ и двумя цифрами, указывающими минимальный предел прочности на растяжение в МПа. Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности не менее 200 МПа.
• Ковкие чугуны: Обозначаются КЧ и двумя парами цифр: первая пара — предел прочности на растяжение, вторая — относительное удлинение в процентах. Например, КЧ35-10.
• Высокопрочные чугуны: Обозначаются ВЧ и двумя цифрами, указывающими минимальный предел прочности на растяжение. Например, ВЧ50.

Области применения железоуглеродистых сплавов

Широчайший спектр свойств железоуглеродистых сплавов обуславливает их повсеместное применение в различных отраслях промышленности.

• Машиностроение: Это одна из основных областей.
  • Углеродистые стали марок 20, 35, 45 широко используются для изготовления валов, осей, зубчатых колес, шатунов, элементов крепежа. Сталь 45, например, благодаря своей прочности, идет на валы, шестерни, оси и другие тяжелонагруженные детали.
  • Легированные стали, такие как 40Х, 12ХН3А, применяются для более ответственных и износостойких деталей, таких как коленчатые валы, шестерни коробок передач, детали, работающие в условиях трения.
• Автомобильная промышленность:
  • Стали марок 35, 40, 45 используются для деталей двигателей, коробок передач, осей.
  • Чугуны СЧ20, ВЧ50 применяются для блоков цилиндров, головок блоков, коленчатых валов, тормозных дисков, корпусов редукторов благодаря их хорошим литейным свойствам, износостойкости и способности гасить вибрации.
• Энергетическая промышленность:
  • Низкоуглеродистые стали типа Ст3 широко используются для трубопроводов, элементов котлов, теплообменников, различных конструкций, работающих без высоких нагрузок, но требующих хорошей свариваемости.
  • Легированные стали с добавлением хрома, молибдена применяются для деталей, работающих при высоких температурах и давлениях.
• Строительство: Арматурные стали, конструкционные стали для несущих элементов зданий и мостов.
• Аэрокосмическая промышленность: Для ответственных деталей самолетов и ракет используются высокопрочные легированные стали, в том числе аустенитные стали, благодаря их уникальному сочетанию прочности, коррозионной стойкости и стойкости к высоким температурам.
• Инструментальное производство: Высокоуглеродистые и легированные стали (например, У8, ХВГ) используются для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента, где требуется высокая твердость и износостойкость.

В целом, свойства железоуглеродистых сплавов — высокая прочность, жесткость, твердость, износостойкость, а также относительная дешевизна и доступность — делают их незаменимыми материалами в самых разных сферах человеческой деятельности.

Заключение

Изучение диаграммы состояния Fe-Fe₃C, ее фаз, структурных составляющих и превращений — это не просто теоретическая дисциплина, а фундамент для понимания и манипулирования свойствами материалов, из которых построен наш мир. Данное методическое руководство, вобравшее в себя детализированный анализ, конкретные числовые значения и пошаговые алгоритмы, призвано дать студенту не только инструменты для успешного выполнения индивидуального задания, но и глубокое, целостное понимание предмета.

Мы рассмотрели полиморфизм железа, свойства углерода, исчерпывающе описали фазы (феррит, аустенит, цементит) и структурные составляющие (перлит, ледебурит), акцентируя внимание на их механических, физических и морфологических особенностях. Особое внимание было уделено критическим точкам и линиям диаграммы, являющимся маркерами фазовых переходов. Пункты, которые часто упускаются из виду — такие как различия в типах цементита или детальные механические свойства зернистого перлита — были специально детализированы, чтобы предоставить наиболее полную картину.

Подробные алгоритмы построения кривых охлаждения и расчета фазового состава по правилу отрезков с наглядным числовым примером дают практические навыки, необходимые для количественного анализа микроструктуры. Наконец, мы расширили традиционную классификацию сталей и чугунов, включив аспекты качества и степени раскисления, а также предоставили конкретные примеры маркировки и применения материалов в различных отраслях промышленности, связывая теорию с реальным миром инженерных задач.

Это руководство, благодаря своей глубине и охвату «слепых зон» конкурентов, предоставляет студенту полноценную базу для выполнения индивидуального задания, а также формирует критически важное, системное мышление, необходимое для будущего инженера. Освоив представленный материал, вы не только успешно справитесь с контрольной работой, но и получите прочные знания, которые станут надежным ориентиром в мире материаловедения и металлургии. Почему же так важно быть в курсе этих нюансов, которые отличают настоящее понимание от поверхностного?

Список использованной литературы

1. Лахтин, Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. Москва : Металлургия, 1977. 359 с.
2. Кривошеева, Г. Б., Тарасов, В. В., Герасимов, А. П. Материаловедение: Учебное пособие. Владивосток : ДВГМА, 1999.
3. Диаграмма состояния Fe-C. URL: https://studfile.net/preview/4308233/ (дата обращения: 12.10.2025).
4. Диаграмма состояния сплава железа с углеродом. URL: https://metallprof.ru/obrabotka-metallov/diagramma-sostoyaniya-splava-zheleza-s-uglerodom (дата обращения: 12.10.2025).
5. Классификация железоуглеродистых сплавов: состав, типы, свойства. URL: https://vt-metall.ru/blog/klassifikatsiya-zhelezouglerodistyh-splavov/ (дата обращения: 12.10.2025).
6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. URL: https://promportal.su/article/11832/strukturnye_sostavlyayushchie_jelezouglerodistyh_splavov.html (дата обращения: 12.10.2025).
7. Диаграмма состояния системы железо — углерод. URL: https://studme.org/169131/metallurgiya/diagramma_sostoyaniya_sistemy_zhelezo_uglerod (дата обращения: 12.10.2025).
8. Диаграмма Fe-Fe3c. URL: https://studocu.com/ru/document/vladivostokskii-gosudarstvennyi-universitet-ekonomiki-i-servisa/materialovedenie-i-tehnologiya-konstrukcionnyh-materialov/diagramma-fe-fe3c/1435212 (дата обращения: 12.10.2025).
9. Глава 2 ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:14/ (дата обращения: 12.10.2025).
10. Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. URL: https://studfile.net/preview/4243881/ (дата обращения: 12.10.2025).
11. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ FE-C (FE-FE3C). Международный студенческий научный вестник (сетевое издание). URL: https://scienceforum.ru/2016/article/2016024953 (дата обращения: 12.10.2025).
12. Железоуглеродистые сплавы. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:11/ (дата обращения: 12.10.2025).
13. Превращения в стали при нагреве и охлаждении. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:12/ (дата обращения: 12.10.2025).
14. Диаграмма состояния сплавов системы Fe–Fe3C. URL: https://metallicheckiy-portal.ru/materialovedenie/diagr_sost_spl_fe_fe3c (дата обращения: 12.10.2025).
15. Работа №1. Изучение диаграммы состояния системы железо-углерод. URL: https://studfile.net/preview/4243881/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
16. Таблицы фазовых превращений в сталях: диаграмма Fe-C, критические точки и структуры. URL: https://innerengineering.ru/tablicy-fazovyh-prevrashhenij-v-stalyah-diagramma-fe-c-kriticheskie-tochki-i-struktury/ (дата обращения: 12.10.2025).
17. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ СПЛАВОВ Fe-Fe3C. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:10/ (дата обращения: 12.10.2025).
18. Диаграмма состояния железо–цементит(Fe–Fe3c). URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:9/ (дата обращения: 12.10.2025).
19. Диаграмма состояния железо — цементит. URL: https://icm-spb.ru/handbook/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-tsementit (дата обращения: 12.10.2025).
20. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД. URL: https://mt-sapr.ru/article_post/diagramma-sostoyaniya-sistemy-zhelezo-uglerod (дата обращения: 12.10.2025).
21. Классификация железоуглеродистых сплавов. URL: https://www.materialscience.ru/classification-of-iron-carbon-alloys/ (дата обращения: 12.10.2025).
22. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ — Основы материаловедения. URL: https://studref.com/391060/metallurgiya/zhelezouglerodistye_splavy_osnovy_materialovedeniya (дата обращения: 12.10.2025).
23. Маркировка сталей, чугунов, сплавов. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:17/ (дата обращения: 12.10.2025).
24. Превращения, происходящие в железоуглеродистых сплавах при охлаждении из жидкого состояния. URL: https://kursach.com/essays/materialovedenie/prevrashcheniya-proishodyashchie-v-zhelezouglerodistyh-splavah-pri-ohlazhdenii-iz-zhidkogo-sostoyaniya.html (дата обращения: 12.10.2025).
25. Железоуглеродистые сплавы (стали). URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:19/ (дата обращения: 12.10.2025).
26. Лабораторный практикум по материаловедению. URL: https://studfile.net/preview/4243881/page:5/ (дата обращения: 12.10.2025).
27. Классификация железо-углеродистых сплавов по структуре (стали, чугуны). URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:16/ (дата обращения: 12.10.2025).
28. МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ и ЧУГУНОВ Цель работы: изучить принципы обозначен. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:18/ (дата обращения: 12.10.2025).
29. Лекция №3. Железоуглеродистые сплавы. URL: https://infourok.ru/lekciya-zhelezouglerodistie-splavi-4131652.html (дата обращения: 12.10.2025).
30. Феррит, цементит, аустенит, мартенсит. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:13/ (дата обращения: 12.10.2025).
31. Стали и чугуны. Классификация и маркировка. URL: https://ppt-online.org/31163 (дата обращения: 12.10.2025).
32. Построение кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов. Пермский национальный исследовательский политехнический университет. URL: https://pstu.ru/files/3371/file_55361.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
33. Критические точки на диаграмме «Железо-углерод». URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:15/ (дата обращения: 12.10.2025).
34. Что такое железоуглеродистые сплавы и где они применяются? URL: https://yandex.ru/q/question/chto_takoe_zhelezouglerodistye_splavy_i_gde_oni_145b5969/ (дата обращения: 12.10.2025).
35. Классификация марок стали и их расшифровка, способы нанесения маркировки на металл. URL: https://uptk65.ru/blog/klassifikatsiya-marok-stali-i-ikh-rasshifrovka-sposoby-naneseniya-markirovki-na-metall/ (дата обращения: 12.10.2025).
36. Свойства и применение углеродистой стали. URL: https://trubanascklade.ru/blog/svojstva-i-primenenie-uglerodistoj-stali/ (дата обращения: 12.10.2025).
37. Железо-карбид железа | Кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,3% С. URL: https://cw.materialscience.ru/zhelezo-karbid-zheleza-krivaya-ohlazhdeniya-dlya-splava-soderzhashhego-0-3-s/ (дата обращения: 12.10.2025).
38. Описание и область применения железных сплавов. URL: https://metallolom-krasnodar.ru/metally-i-splavy/zhelezouglerodistye-splavy.html (дата обращения: 12.10.2025).
39. Семенец, Г. Л. Диаграмма состояния железо — цементит (Fe — Fe3C). URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:20/ (дата обращения: 12.10.2025).
40. Правило фаз, правило отрезков и диаграмма состояния — Изучение равновесных микроструктур железоуглеродистых сплавов. URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:14/ (дата обращения: 12.10.2025).
41. Диаграмма состояния двойного сплава Fe-c (Fe-FeC). URL: https://studfile.net/preview/4308233/page:8/ (дата обращения: 12.10.2025).