Структурообразование и анализ фазовых превращений в сплавах железо-углерод

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1009 

Кафедра физического материаловедения

 
 
 

Структурообразование и анализ
фазовых превращений 
в сплавах железо–углерод 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлениям 150100 – Металлургия и 150700 –  
Физическое материаловедение 

Москва  2010 

УДК 669.017 
 
С87 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. В.Г. Прокошкина 

Авторы: В.Ю. Введенский, Р.И. Малинина, О.Ю. Ушакова, 
Е.А. Шуваева 

Структурообразование и анализ фазовых превращений 
С87 в сплавах железо–углерод: Учеб. пособие / В.Ю. Введенский, 
Р.И. Малинина, О.Ю. Ушакова, Е.А. Шуваева. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2010. – 56 с. 
ISBN 978-5-87623-367-7 

На основе изучения метастабильной и стабильной диаграмм состояния 
Fe–C в учебном пособии рассматриваются методы решения типовых задач по 
структурообразованию железоуглеродистых сплавов (технического железа, 
сталей и чугунов). Представленные задачи традиционно используются при 
изучении основ материаловедения в таких учебных дисциплинах, как «Фазовые равновесия и структурообразование», «Материаловедение», «Металловедение», «Металловедение и качество металлопродукции», «Металловедение и технология конструкционных материалов» и др. 
Соответствует учебным программам курсов по металловедению и материаловедению. 
Предназначено для самостоятельной работы при подготовке к семинарам 
и практическим занятиям, контрольным работам, а также при выполнении 
домашних заданий студентами следующих направлений подготовки и специальностей: 010700, 150101, 150105, 150106, 150701, 150702, 200503, 210602. 

УДК 669.017 

ISBN 978-5-87623-367-7 
© Коллектив авторов, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Диаграммы состояния и структура сплавов Fe–C.............................6 
1.1. Стабильное и метастабильное равновесие..................................6 
1.2. Стабильная и метастабильная  диаграммы Fe–C........................7 
1.3. Правила расстановки фаз  на диаграмме состояния...................9 
1.4. Фазы в системе Fe–C...................................................................10 
1.5. Правило концентраций................................................................11 
1.6. Правило рычага............................................................................11 
1.7. Обозначение критических точек................................................11 
1.8. Классификация сплавов Fe–C ....................................................13 
1.9. Структурные составляющие сплавов Fe–C после отжига.......15 
1.10. Реальные микроструктуры и их схематичное  
изображение........................................................................................21 
1.11. Содержания связанного и свободного углерода.....................22 
2. Методика решения задач с использованием диаграмм  
Fe–C и Fe–Fe3C .......................................................................................24 
2.1. Описание фазовых превращений ...............................................24 
2.2. Построение кривых термического анализа...............................28 
2.3. Прогнозирование микроструктуры сплава заданного 
состава по диаграмме состояния.......................................................32 
2.4. Определение названия сплава по микроструктуре  
или химическому составу ..................................................................35 
2.5. Определение химического состава фаз и структурных 
составляющих по составу сплава......................................................36 
2.6. Расчет относительного количества фаз .....................................37 
2.7. Расчет относительного количества фаз разного 
происхождения ...................................................................................37 
2.8. Определение теплового эффекта превращения........................39 
2.9. Расчет относительного количества структурных 
составляющих .....................................................................................39 
2.10. Определение химического состава сплава по заданному 
количеству фазовых или структурных составляющих ...................48 
2.11. Построение графиков зависимостей........................................50 
Библиографический список...................................................................55 
 

Предисловие 

Изучение темы «Структурообразование сплавов Fe–C» является 
традиционным для всех учебных курсов материаловедческой направленности независимо от того, на сколько учебных часов она рассчитана. Связано это не только с несомненной практической важностью сталей и чугунов для современной промышленности, но и с 
тем, что на примере системы Fe–C удается разобрать большое число 
вопросов, имеющих значение и для сплавов других систем, в том 
числе цветных металлов и сплавов, а также неметаллических материалов. Кристаллизация и полиморфные превращения, фазовые переходы первого и второго рода, перитектическое, эвтектическое и 
эвтектоидное трехфазные превращения, выделение вторичных и третичных кристаллов, стабильное и метастабильное равновесия – вот 
далеко не полный перечень тем, которые удобно рассматривать на 
примере диаграммы Fe–C. Этой диаграмме и железоуглеродистым 
сплавам особое внимание в учебной литературе уделяется также благодаря большому разнообразию видов термической обработки, впервые предложенных для сталей и в дальнейшем с успехом опробованных на материалах другого химического состава. Примеры для сплавов Fe–C также часто используются при изложении механических и 
физических свойств материалов, а также большого числа технологических свойств, таких как свариваемость, жидкотекучесть и т.д. 
Какая бы в дальнейшем сложная тема ни разбиралась, фундамент 
материаловедческой подготовки во многих случаях составляет тема 
данного учебного пособия. Знание диаграммы Fe–C – это своеобразная «палочка-выручалочка» для студента. Обрести указанные знания 
позволяет решение представленных в пособии задач. 
Авторы пособия не ставили себе целью рассмотреть все возможные задачи. Так, в данном пособии нет задач по атомной структуре 
фаз и по кинетике фазовых превращений. Отсутствуют задачи по 
формированию микроструктуры в сильно неравновесных условиях, в 
том числе в результате закалки и отпуска, а также задачи по влиянию 
легирования на структурообразование. Круг задач сознательно сужен, чтобы оставить для подробного разбора лишь диаграмму состояния Fe–C и микроструктуру сплавов этой системы в отожженном 
состоянии. При этом рассматриваемые вопросы полностью охватывают содержание семинаров, коллоквиума (контрольной работы) и 
домашних заданий. 

При написании пособия авторы стремились придерживаться нескольких правил. Во-первых, большую часть теоретического материала старались представить в виде примеров решения задач (ориентация на задачи). Для облегчения поиска информации пособие снабжено подробным оглавлением. Во-вторых, в условие каждой задачи 
включали только один вопрос, чтобы студент решение своей задачи 
собирал из примеров как в конструкторе (принцип сборки). Втретьих, при наличии двух вариантов решения описывались оба 
(принцип всесторонности). В-четвертых, если в решении задач разного типа используется одно и то же положение, то это положение 
приводилось в теоретическом введении или каждый раз повторялось. 
Ссылки на другие задачи допускались только в рамках одного раздела. Таким образом, реализовывался принцип самодостаточности описания решения отдельной задачи, который можно сформулировать 
так: не обязательно читать все пособие, чтобы разобраться в решении 
конкретной задачи. 
В заключение авторы выражают надежду, что данное учебное пособие поможет в работе как преподавателей, так и студентов. У преподавателей появится возможность управления самостоятельной работой студентов путем выдачи общих или индивидуальных заданий 
для подготовки к семинару. Кроме того, возникает возможность изменения сценария проведения семинаров за счет резкого сокращения 
объема излагаемого теоретического материала и обращения основного внимания на решение задач. Авторы также надеются, что усилится 
обратная связь преподавателя со студентами и станет возможной более индивидуальная работа преподавателя, так как у подготовленных 
студентов появятся свои вопросы и можно сосредоточиться на обсуждении именно их затруднений. У студентов же появится возможность самостоятельно проработать темы семинаров, выполнить домашнее задание и лучше подготовиться к коллоквиуму (контрольной 
работе) по структурообразованию в сплавах Fe–C. 

1. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА 
СПЛАВОВ Fe–C 

1.1. Стабильное и метастабильное равновесие 

В сплавах Fe–C в зависимости от скорости охлаждения и содержания углерода может реализовываться как стабильное фазовое равновесие, так и метастабильное. 
Любое равновесие соответствует минимуму энергии системы. 
Стабильным называется равновесие, отвечающее абсолютному минимуму энергии. Метастабильным называется равновесие, отвечающее относительному минимуму энергии. Это означает, что в метастабильном состоянии система обладает не самым низким значением энергии из всех возможных. 
Продемонстрируем различие стабильного и метастабильного равновесий с помощью примера из механики. Рассмотрим лежащее на 
земле тело в форме кирпича. Потенциальная энергия кирпича в зависимости от положения центра тяжести различна. Чем ниже центр тяжести, тем меньше энергия. На рис. 1.1 показаны три возможных положения кирпича, когда он обращен к земле наименьшей гранью – на 
торце (а), гранью промежуточного размера – на боку (б) и наибольшей гранью – плашмя (в). 

 

Рис. 1.1. Три положения кирпича, 
 отвечающие метастабильным равновесиям (а, б)  
и стабильному равновесию (в) 

Очевидно, что центр тяжести тела в случаях а и б расположен 
выше, чем в случае в. Следовательно, случай «в» отвечает наименьшему значению потенциальной энергии. При этом каждое состояние 
является равновесным, так как при малых отклонениях от исходного 
положения кирпич вернется в прежнее состояние. Поэтому в случаях 
а и б говорят о метастабильном равновесии, а в случае в – о стабильном. В общем случае может быть много метастабильных равновесий, 
но стабильное равновесие всегда единственное. 

а 

б 
в