Диаграмма железо-углерод — диаграмма состояния Fe-Fe₃C онлайн

Диаграмма железо-углерод здесь — не картинка из учебника, а рабочее поле: кликните в любую точку, и тренажёр определит фазы, посчитает их доли по правилу отрезков и построит кривую охлаждения с площадками превращений. Диаграмма состояния железо-углерод (Fe-Fe₃C) охватывает стали и белые чугуны: аустенит, феррит, цементит и ледебурит появляются на схеме микроструктуры ровно в тех долях, которые даёт расчёт. Точку можно задать маркой стали, задачей из встроенного задачника или прямым вводом состава и температуры — фазовые превращения пересчитываются мгновенно.

Характерные точки и линии: шпаргалка с живыми примерами

Критические точки диаграммы принято обозначать буквами; их координаты — язык, на котором металловеды разговаривают о сталях. Ниже — минимум, который стоит знать наизусть (советский канон; в тренажёре есть и международный).

Линии тоже имеют имена: PSK — эвтектоидная горизонталь A₁, GS — начало выделения феррита A₃, SE — растворимость углерода в аустените Aсм, ECF и HJB — эвтектическая и перитектическая горизонтали. Проверьте себя на живой диаграмме:

Эвтектоид S: 0,8 %C · 727 °C → Точка Кюри: 768 °C → Сталь 20 при 20 °C →

Сколько перлита в стали 45: правило отрезков на деле

Классика зачёта. Берём сталь 45 (0,45 %C) чуть ниже эвтектоидной горизонтали, когда превращения аустенита уже завершены. Структурная линейка тянется от феррита P (0,02 %C) до эвтектоида S (0,80 %C):

Выше, при 750 °C, работает уже фазовая конода Ф+А: её концы 0,018 и 0,700 %C, и рычаг даёт 63,4 % аустенита. Одна точка — две разные линейки, и путать их нельзя: перлит — структурная составляющая, смесь феррита с цементитом, а не фаза.

Сталь 45: 55,1 % перлита → Фаза и структура: две линейки → Как рычаг ломается в однофазной →

Заэвтектоидная сталь У12: откуда сетка вторичного цементита

Если углерода больше 0,8 %, избыточной фазой становится не феррит, а вторичный цементит: он выделяется из аустенита по границам зёрен и на шлифе виден как светлая сетка. Для У12 (1,2 %C) структурная конода идёт от S до цементита (6,67 %C):

Сравните с доэвтектоидной сталью из примера выше: избыточная фаза сменилась, формула — та же. Именно содержание углерода решает, какая структура стали получится после медленного охлаждения.

У12: сетка Ц₂ на шлифе →

Почему диаграмма так устроена: два раствора и одно соединение

Вся фазовая диаграмма держится на трёх фактах. Первый: температура плавления железа — 1539 °C, и у железа две решётки: ОЦК (α- и δ-феррит) и ГЦК (аустенит), переходы при 911 и 1392 °C. Второй: углерод с железом образует цементит Fe₃C с 6,67 % углерода — правая граница диаграммы. Третий: на трёх горизонталях (1499, 1147 и 727 °C) в равновесии стоят сразу три фазы, и по правилу фаз Гиббса C = K − Ф + 1 = 2 − 3 + 1 = 0: превращение идёт при строго постоянной температуре, а на кривой охлаждения появляется площадка. Ниже 768 °C феррит становится магнитным — это точка Кюри, превращение без перестройки решётки. Подробный разбор всех областей по шагам — в статье диаграмма железо-углерод нашего блога; тренажёр удобно держать открытым рядом с ней — так читается любая диаграмма состояний двойных систем.

Кривые охлаждения, нагрев и точки Ac/Ar

Кривые охлаждения в тренажёре строятся схематично, но честно: изломы — там, где точка пересекает линии диаграммы, площадки — на нонвариантных горизонталях. При нагреве те же события смещаются по обозначению: равновесные A₁/A₃ превращаются в Ac₁/Ac₃ (chauffage), при охлаждении — в Ar (refroidissement); сами равновесные температуры от направления не зависят. Сводные значения критических точек по конкретным маркам удобно смотреть в таблицах фазовых превращений сталей — а здесь проверять, откуда эти числа берутся.

Границы модели и соседние тренажёры

Модель равновесная: она отвечает на вопрос «что будет при бесконечно медленном охлаждении» и не знает скоростей, мартенсита и прокаливаемости — режимы закалки по ней не назначают. Линия CD и точка D показаны пунктиром: плавление цементита экспериментально не установлено. Слой стабильной системы Fe-графит (эвтектика 1153 °C) включается отдельным флажком — для серых чугунов он важнее метастабильной. Белый чугун, ковкий, высокопрочный — различия этих семейств начинаются именно на этой диаграмме. Рядом в разделе симуляторы живут соседние модели: зубчатая передача с эвольвентным зацеплением и допуски и посадки — обе стороны вопроса «из чего сделано и как собрано».

Частые вопросы

Почему 727 °C — и ни градусом больше?

На эвтектоидной горизонтали PSK сосуществуют аустенит, феррит и цементит. Три фазы при двух компонентах дают нулевую степень свободы: пока превращение не закончится, температура стоять будет как вкопанная — это правило фаз Гиббса в действии.

Чем фаза отличается от структурной составляющей?

Фаза однородна по решётке и составу: феррит, аустенит, цементит, жидкость. Перлит и ледебурит — структурные составляющие, механические смеси фаз. Доли фаз и доли структур считаются разными конодами — тренажёр показывает обе линейки одновременно.

Почему сталь — до 2,14 % углерода, а дальше чугун?

2,14 % — точка E, предел растворимости углерода в аустените. Левее сплав можно нагревом перевести в чистый аустенит и ковать; правее при кристаллизации неизбежна эвтектика — ледебурит, визитная карточка белых чугунов.

Чем Ac₁ отличается от Ar₁ и от A₁?

A₁ — равновесная температура 727 °C. Ac₁ — та же граница при нагреве, Ar₁ — при охлаждении; из-за теплового гистерезиса реальные Ac лежат чуть выше, Ar чуть ниже равновесной. В режиме нагрева тренажёр подписывает события как Ac.

Эвтектоид 0,8 или 0,76 %C — где правда?

Обе цифры корректны: 0,8 %/727 °C — округление советской школы (Лахтин, Гуляев), 0,76 %/727 °C — данные Callister и оценок Okamoto. Переключатель канона наверху меняет весь набор опорных точек сразу — удобно сверять учебники.

Как быстро запомнить диаграмму железо-углерод?

Не зубрить картинку, а прогнать маршруты: провести охлаждение стали 45, У8, У12 и чугуна 4,3 %C, глядя на изломы кривой и смену структур. Пятнадцать задач встроенного задачника закрывают типовой экзаменационный набор.