Сплавы железа с углеродом представляют собой сложные системы, и для изучения их свойств и определения режимов термической обработки используются диаграммы состояний. Эти диаграммы охватывают всю систему сплавов и позволяют определить основные характеристики каждого сплава. Диаграмма состояний может быть получена из двух или более веществ, называемых компонентами.
Одной из ключевых информаций, которую можно получить из диаграммы состояний, является определение температур начала и конца затвердевания, а также структурных превращений в твердом состоянии. Это позволяет узнать, какие изменения происходят в материале при различных температурах и как это влияет на его свойства. Кроме того, на диаграмме состояний можно найти критические точки для каждого сплава, что помогает определить его особенности и потенциальные области применения.
Однако стоит отметить, что при переходе из жидкого состояния в твердое в разных сплавах могут происходить различные процессы. В некоторых сплавах могут выделяться кристаллы обоих компонентов, тогда как в других сплавах образуются кристаллы твердого раствора. Это позволяет создавать сплавы с различными структурами и свойствами. Кроме того, сплавы могут быть как однородными, имеющими одинаковые свойства по всему объему, так и неоднородными, состоящими из смеси различных однородных частиц. Это открывает возможности для создания материалов с уникальными свойствами и широким спектром применения.
Фазы, составляющие сплавы и однородные по строению и свойствам, имеют важное значение в материаловедении. Например, сталь и чугун, которые являются сплавами железа с углеродом, можно рассматривать как примеры таких фаз. Интересно, что наличие небольших количеств сопутствующих компонентов в их составе, таких как сера, фосфор, кремний и марганец, не оказывает существенного влияния на положение критических точек.
Карбид железа, известный как цементит, является химическим соединением углерода с железом и может быть одной из фаз сплавов. Также углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита, что также является одной из фаз. Интересно отметить, что существуют две диаграммы состояния сплавов железа с углеродом — цементитная и графитная. Эти диаграммы позволяют более подробно изучить свойства и поведение сплавов в разных условиях.
Сталь, которая относится к сплавам, затвердевающим по цементитной системе, обладает массовой долей углерода до 2,0%. Белые чугуны, в свою очередь, относятся к сплавам с массовой долей углерода выше 2,0%. Эти числовые данные помогают классифицировать и понять свойства различных сплавов и их применение в промышленности.
На диаграмме железо-углерод (рис. 3) можно наблюдать точки пересечения линий превращения, которые соответствуют определенным массовым долям углерода. Одним из таких значений является массовая доля углерода в жидкой фазе при перитектической температуре, которая составляет 0,5%. Это значит, что при данной температуре жидкая фаза будет содержать 0,5% углерода по массе. Такие числовые данные помогают нам лучше понять состав и свойства материалов, а также прогнозировать их поведение в различных условиях. В дальнейшем изучении данной диаграммы мы можем найти и другие значения массовых долей углерода, которые будут иметь свою собственную значимость и интерпретацию.
Представление о структурных превращениях в железоуглеродистых сплавах при медленном нагреве или охлаждении может быть получено из диаграммы состояния (рис. 3). При повышении скорости охлаждения, превращение аустенита при переохлаждении происходит при более низких температурах. Это является важным при термической обработке стали, так как такой подход позволяет изменять структуру стали и ее физико-механические свойства. Критическая точка Агс снижается более быстро, чем Агг, и при определенной скорости охлаждения они сливаются в одну точку Аг’ (рис. 4). В процессе мы наблюдаем уменьшение разрыва между ними.