Диаграмма Fe–Fe₃C
Диаграмма Fe–Fe₃C описывает метастабильное равновесие железа с цементитом. Она широко используется для интерпретации углеродистых сталей, поскольку образование и сохранение цементита существенно для их структуры. Однако система железо–графит соответствует более стабильному равновесию при обычном давлении в рассматриваемых областях. Эти диаграммы нельзя смешивать: подстановка графита вместо цементита меняет составы концов конод и фазовый баланс. Метастабильность не означает мгновенного распада карбида при эксплуатации.
Фазы и структурные составляющие
В твёрдом состоянии различают феррит α, аустенит γ и цементит Fe₃C; в высокотемпературной части присутствует также δ-феррит. Перлит представляет совместно выросшую смесь α и Fe₃C. Поэтому запись «феррит плюс перлит» описывает микроструктурные составляющие, тогда как запись «феррит плюс цементит» задаёт фазовый состав. Доля перлита не равна доле цементита, даже если обе получены по правилу рычага.
| Задача | Концы расчётной коноды | Получаемая доля |
|---|---|---|
| Доэвтектоидная сталь перед превращением остаточного γ | α и эвтектоидный γ | Остаточный γ, переходящий в перлит |
| Сплав непосредственно ниже эвтектоидного превращения | α и Fe₃C | Общее количество цементита |
| Сам перлит | α и Fe₃C при его среднем составе | Цементит внутри перлита |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Согласованный числовой пример
Для условной оценки стали с C0 = 0,40 массового процента C используем один приближённый набор координат: эвтектоидный состав Ce = 0,76%, растворимость в α у эвтектоидной температуры Cα = 0,022%, состав цементита Cθ = 6,67%. Эвтектоидную температуру принимают приблизительно равной 727 °C лишь как ориентир данного бинарного описания, а не как режим нагрева детали. Другие опубликованные схемы округляют Ce до 0,8%; их числа нельзя незаметно смешивать с настоящим расчётом.
При медленном охлаждении без графитизации масса остаточного γ непосредственно перед эвтектоидным превращением составляет fP ≈ (0,40 − 0,022)/(0,76 − 0,022) = 0,512195. После полного превращения этого γ оценка перлитной составляющей равна 51,2195%, а доэвтектоидного феррита — 48,7805%. Здесь предполагается, что весь остаточный γ образует перлит; кинетическое подавление превращения не учитывается.
Общая массовая доля цементита непосредственно ниже эвтектоидной температуры равна fθ = (0,40 − 0,022)/(6,67 − 0,022) = 0,0568592, или 5,68592%. Внутри перлита она равна (0,76 − 0,022)/(6,67 − 0,022) = 0,111011, или 11,1011%. Произведение 0,512195 × 0,111011 вновь даёт 0,0568592. Это независимое сопоставление двух уровней описания; оставшийся феррит находится как вне перлита, так и внутри него.
Для условной порции 10 кг масса цементита равна примерно 0,568592 кг. Проверка углерода: 0,568592 × 0,0667 + 9,431408 × 0,00022 ≈ 0,040000 кг. При пересчёте на комнатную температуру растворимость углерода в феррите уменьшается, поэтому доли уточняют по другой коноде; число 0,022% не является постоянной растворимостью при любых температурах.
Границы использования
Легирующие элементы изменяют области устойчивости фаз, критические температуры и состав карбидов. Реальные скорости нагрева и охлаждения дополнительно смещают наблюдаемые начала и окончания превращений. Диаграмма не заменяет TTT/CCT-данные, контроль температуры по сечению и технологическую документацию на конкретную марку стали. Для чугуна вопрос графитизации требует отдельного рассмотрения состава, условий затвердевания и зарождения графита. Представленный расчёт поясняет баланс углерода, но не предписывает термообработку и не прогнозирует прочность только по содержанию перлита.