Перш ніж розглядати діаграму залізо-вуглець у загальному вигляді, важливо розглянути компоненти, фази і структурні складові, що утворюються в залізовуглецевих сплавах.
Компонентами, що утворюють систему залізо-вуглець, є залізо, вуглець та цементит.
Залізо — метал сріблясто-білого кольору, атомний номер 26, атомний радіус 1,27 А, температура плавлення 1539°С. Залізо має чотири алотропічні модифікації. Графік охолодження чистого заліза представлений на рис. 2.1. Закристалізоване при температурі 1539°С залізо утворює об'ємноцентровану кубічну решітку і називається 5-залізом (Ре5). При температурі 1392°С з 5-заліза утворюється у-залізо (Рег), що має гранецентровану кубічну решітку. При температурі 91ГС у-залізо перетворюється в Р-залізо (Рер), яке при температурі 768°С в свою чергу, перетворюється в а-залізо (Реа). Обидві модифікації (Рер і Реа) мають об'ємноцентровану кубічну решітку, але на відміну від р-залізо, а-залізо має феромагнітні властивості.
Рис. 2.1. Крива охолодження чистого заліза
Густина алотропічних модифікацій заліза різна: якщо густина а-заліза дорівнює 7,68 г/см3, то густина у-заліза, отримана екстраполіруванням при 20°С, зростає до 8,10 г/см3. Чисте залізо характеризується суттєвою пластичністю і невисокою твердістю (~~НВ 60).
Вуглець — неметалевий елемент, атомний номер 6, атомний радіус 0,77А, температура плавлення 3500°С. Він може існувати в аморфному і кри-
сталічному станах, а також утворює алотропічні модифікації, основними з яких є алмаз та графіт.
У залізовуглецевих сплавах вуглець присутній у твердих розчинах, в хімічно зв'язаному стані (цементиті), а в сплавах з високим вмістом вуглецю може виділятися у вигляді графіту.
Цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза РезС), в якому міститься 6,67% вуглецю, має складну щільнозапаковану ромбічну кристалічну решітку. Температура плавлення цементиту близько 1600°С. Алотропічних перетворень цементит не зазнає, але при низьких температурах має феромагнітні властивості, які втрачає при нагріванні вище 210 °С. Цементит є метастабільною (нестійкою) фазою і у сплавах з високим вмістом вуглецю за певних умов розпадається з виділенням вуглецю у вигляді графіту. Цементит відрізняється надзвичайно низькою, практично нульовою, пластичністю і дуже високою твердістю (~ НВ 800).
До фаз, які утворюються в системі залізо-вуглець, відносяться: рідкий сплав, аустеніт, ферит, цементит і графіт.
Рідкий сплав — фаза, що є рідким розчином вуглецю в залізі. У рідкому стані залізо з вуглецем утворюють рідкий розчин з необмеженою розчинністю.
Аустеніт — твердий розчин (укорінення) вуглецю в у-залізі. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті досягає 2,14% при температурі 1147°С.
Із зниженням температури розчинність вуглецю різко знижується і при температурі 727°С складає всього 0,81 %.
Ферит — твердий розчин (укорінення) вуглецю в а-залізі. Розчинність вуглецю у фериті значно нижча, ніж в аустеніті; це пояснюється тим, що а-залізо має об'ємноцентровану кристалічну решітку, в якій центр куба зайнятий атомом заліза. Максимальна розчинність вуглецю у фериті при температурі 727°С складає 0,02%, а при кімнатній температурі — не перевищує 0,006%. Ферит — м'яка і пластична фаза, його твердість ~ НВ 80.
Цементит, будучи компонентом системи, також є і фазою, оскільки однорідний за своїм складом та властивостями і має чітко виражену межу розділу.
Графіт як фаза зустрічається в сплавах з високим вмістом вуглецю (в чавунах) і має звичайну гексагональну кристалічну решітку. Графіт м'який і має низьку міцність, електропровідність.
Структурні складові — ледебурит і перліт — утворюються з фаз системи і є механічними сумішами.
Ледебурит — механічна суміш аустеніту і цементиту, що містить 4,3% вуглецю і кристалізується при постійній температурі 1147°С. Отже, ледебурит є евтектикою, що включає дві фази: аустеніт і цементит. При охолодженні нижче 727°С ледебурит видозмінюється. Видозмінений ледебурит є механічною сумішшю цементиту і перліту, на який перетворюється аустеніт. Твердість видозміненого ледебуриту коливається від НВ 530 до НВ 550. Перліт — механічна суміш фериту і цементиту, що містить 0,81% вуглецю і утворюється при постійнійтемпературі 727°С з аустеніту при його охолодженні. Перліт має всі властивості евтектики, але на відміну від ледебуриту називається евтектоїдом, оскільки утворюється з твердого, а не з рідкого розчину. Перліт зазвичай має пластинчасту буДову (цементит виділяється у вигляді пластин). Твердість перліту становить ~ НВ 180. Проте в залізовуглецевих сплавах може зустрічатися й інший різновид перліту — зернистий перліт, у якого в результаті спеціальної термічної обробки (відпал на зернистий перліт) цементитні включення коагулюються і набувають округлу (зернисту) форму. Зернистий перліт дещо м'якший і пластичніший пластинчастого перліту.
