Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539 °С имеет две модификации – a и g. Модификация Fea существует от комнатной температуры до 911°С и имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм. Важной особенностью Fea является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С, называемой точкой Кюри, которую обозначают как А2. Выше точки Кюри железо становится парамагнитным. При температуре 911°С a-Fe переходит в g-Feс ГЦК решеткой. Эта модификация существует в температурном интервале 911- 1392 °C.ГЦКрешетка более компактная, чем ОЦК. В связи с этим при F eg → Feaобъем железа уменьшается приблизительно на 1 %. При температуре 1392 °C g-Feпереходит в δ-Fe снова с решеткой ОЦК. Обычно температуру полиморфного превращения a ⇄ g обозначают как критическую точку А 3, а температуру превращения γ ⇄ a при 1392 °С как точку А 4.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз (это используют при получении синтетических алмазов).
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит (обозначают Ф или a) - твердый раствор внедрения углерода в Fea. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном - 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fea обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ в = 300 МПа; δ= 40 %; ψ= 70 %; KCU = 2,5 МДж/м2; твердость - 80 ÷ 100 НВ.
Аустенит (обозначают А или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Feg. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Feg значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 – 200 НВ) при 20 – 25 °С.
Цементит (обозначают Ц или Fе3С) - карбид железа (почти постоянного состава) Fе3С, содержит 6,67 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. Принагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 °С.
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
