Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 4 из 9)
При изучении микроструктур сталей часто возникает вопрос, почему перлит «темный», если феррит и цементит, как только что было рассмотрено – это «светлые» фазы? Повторимся, перлит – это двухфазная структурная составляющая, а фазы, ее образующие, это феррит и цементит, имеющие различную травимость. В этом случае на поверхности шлифа образуется сложный рельеф, приводящий к рассеянию падающего света.
Рис. 7. Микроструктура заэвтектоидной стали.
Таким образом, заэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: вторичный избыточный цементит + перлит, но в разных относительных количествах в зависимости от содержания углерода.
2.3. Превращения в белых чугунах
Перейдем теперь к рассмотрению превращений в чугунах (рис. 8). Повторимся, что границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % - к чугунам.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. В них весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.
Чугуны делятся по отношению к эвтектической точке С на:
- доэвтектические, (углерода от 2,14 до 4,3 %);
- эвтектический (4,3% );
- заэвтектические (содержащие углерода от 4,3 до 6,67 %).
Рис. 8. Фазовые превращения в чугунах по диаграмме состояния Fе – Fe3C.
Сплав 7 (3,0 % С). В этом доэвтектическом белом чугуне кристаллизация начнется в точке а с выделения аустенита и закончится в точке b. При подходе к точке b сплав состоит из аустенита предельного насыщения (точки Е) и жидкой фазы эвтектического состава (точки С):
.На линии ЕCF жидкая фаза (Lс) испытывает эвтектическое превращение:
.Полученная эвтектическая смесь (γЕ + Fе3С) имеет характерное строение и называется ледебуритом (по имени немецкого ученого Ледебура). Таким образом, по окончании первичной кристаллизации (немного ниже точки b) структурные составляющие сплава - первичные зерна аустенита (γЕ) и ледебурит (γЕ + Fе3С), а фазовые составляющие сплава - аустенит и цементит:
.Общее количество аустенита в сплаве при данной температуре 81 %, из них первичных зерен аустенита, выделившегося из расплава 60,2 %, соответственно, в ледебурите содержится 81 %-60,2 %=20,8 % аустенита и в результате получаем: 60,2 % γ + (20,8 % γ +19 % Fе3С).
Так как аустенит имеет максимальное содержание углерода (2,14%), при последующем охлаждении сплава из аустенита непрерывно выделяется вторичный цементит. Количество аустенита уменьшается, а количество цементита увеличивается. С понижением температуры концентрация углерода в аустените уменьшается согласно ходу линии ЕS. При подходе к линии РSК (точка n) сплав состоит из аустенита состава точки S - (γS) и Fе3С (фазовый состав). Теперь:
; 
.Структурные составляющие – аустенит, вторичный цементит и ледебурит. За счет выделения вторичного цементита общее количество цементитной фазы увеличилось на 18,5 %. Общее выражение принимает вид:
46,5 % γI + 18,5 % (Fe3C)II + (16 % γ + 19 % Fe3C)ледебурит.
На линии PSK (в точке п) в сплаве происходит эвтектоидное превращение с образованием перлита:
+ 
.
Ниже PSK:
.Важно понимать, что перлитное превращение испытали зерна аустенита, выделившегося из жидкой фазы (от а до b), а также зерна аустенита, входившего в эвтектическую смесь (ледебурит). Поэтому структурные составляющие доэвтектического белого чугуна будут представлены так: перлит + вторичный цементит + превращенный ледебурит. Фазовыми составляющими сплава (в точке р) будут феррит и цементит, как и в сталях, но только в других количественных соотношениях.
Общее количество цементита увеличилось на 44,8 %-37,5 %=7,3 % - это цементит из перлита, т.е.:
44, 8% Fe3C = 19 % (Fe3C)ледебурит +18,5 % (Fe3C)II + 7,3 % (Fe3C)перлит.
При комнатной температуре:
(41,1 % a+5,4 % Fe3C)перл. +((14,1 % a+1,9 % Fe3C)перл.+ 19 % Fe3C)превр.ледеб.+18,5 % Fe3CII.
Структура белого доэвтектического чугуна представлена на рис. 9. В этом сплаве первым кристаллизовался из жидкой фазы аустенит, бывшие зерна которого (темного цвета) видны на фоне эвтектики (ледебурит). Здесь важно понимать, что как первичный аустенит, выделившийся из жидкой фазы, так и участки аустенита, входящего в ледебурит, претерпели при своем охлаждении процессы дальнейших превращений. Следовательно, из аустенита выделялся вторичный цементит, который чаще всего присоединяется к ледебуритному, и наконец, зерна первичного аустенита и аустенит из ледебурита превратились в перлит.
Эвтектический белый чугун (4,3 % С) на линии ECF кристаллизуется сразу с образование ледебурита:
. 
Рис. 9. Микроструктура белого доэвтектического чугуна
При дальнейшем охлаждении сплава из аустенита выделяется вторичный цементит, а на линии PSK происходит перлитное превращение:
+ 
.
При комнатной температуре фазовые составляющие – феррит и цементит, структурные составляющие – превращенный ледебурит, вторичный цементит и перлит. Типичная структура белого эвтектического чугуна приведена на рис. 10.
Рис. 10. Микроструктура белого эвтектического чугуна
Сплав 8 (5,5 % С). Чугун с 5,5 % С является заэвтектическим. Его кристаллизация начнется на линии ликвидуса DС в точке l с выделения цементита, называемого первичным. Выделение цементита продолжается до точки k и жидкая фаза, обедняясь углеродом, становится по составу соответствующей эвтектической точке С. Чуть выше ЕСF:
.На линии ЕСF происходит образование ледебурита по известной реакции:
.Ниже точки k сплав состоит из двух фаз: γЕи Fе3С:
.Таким образом, получаем:
50,6 % Fе3СI +(25,8 % a + 23,6 % Fе3С)ледебурит.
Структурные составляющие - первичный цементит и ледебурит. Вся аустенитная фаза сплава является составляющей ледебурита. При понижении температуры аустенит, обедняясь углеродом, выделяет вторичный цементит по линии ES. Перед линией РSК:
.Общее выражение:
50,6 % Fе3СI +5,9 % Fе3СII +(19,9 % γ + 23,6 % Fе3С)ледебурит.
Структурные составляющие - первичный и вторичные цементит и ледебурит. Наконец, на линии РSК (в точке m) превращается в перлит.
+ .