Metastable Iron-Carbon (Fe-C) Phase

Metastable Iron-Carbon (Fe-C) Phase Diagram
A study of the microstructure of all steels usually starts with the metastable iron-carbon (Fe-C) binary phase diagram (Figure 1). It provides an invaluable foundation on which to build knowledge of both carbon steels and alloy steels, as well as a number of various heat treatments they are usually subjected to (hardening, annealing, etc).

Metastable Iron-Carbon (Fe-C) Phase Diagram

Figure 1. The Fe-C phase diagram shows which phases are to be expected at metastable equilibrium for different combinations of carbon content and temperature. The metastable Fe-C phase diagram was calculated with Thermo-Calc, coupled with PBIN thermodynamic database.

At the low-carbon end of the metastable Fe-C phase diagram, we distinguish ferrite (alpha-iron), which can at most dissolve 0.028 wt. % C at 738 °C, and austenite (gamma-iron), which can dissolve 2.08 wt. % C at 1154 °C. The much larger phase field of gamma-iron (austenite) compared with that of alpha-iron (ferrite) indicates clearly the considerably grater solubility of carbon in gamma-iron (austenite), the maximum value being 2.08 wt. % at 1154 °C. The hardening of carbon steels, as well as many alloy steels, is based on this difference in the solubility of carbon in alpha-iron (ferrite) and gamma-iron (austenite).

At the carbon-rich side of the metastable Fe-C phase diagram we find cementite (Fe3C). Of less interest, except for highly alloyed steels, is the delta-ferrite at the highest temperatures.

The vast majority of steels rely on just two allotropes of iron: (1) alpha-iron, which is body-centered cubic (BCC) ferrite, and (2) gamma-iron, which is face-centered cubic (FCC) austenite. At ambient pressure, BCC ferrite is stable from all temperatures up to 912 °C (the A3 point), when it transforms into FCC austenite. It reverts to ferrite at 1394 °C (the A4 point). This high-temperature ferrite is labeled delta-iron, even though its crystal structure is identical to that of alpha-ferrite. The delta-ferrite remains stable until it melts at 1538 °C.

Regions with mixtures of two phases (such as ferrite + cementite, austenite + cementite, and ferrite + austenite) are found between the single-phase fields. At the highest temperatures, the liquid phase field can be found, and below this are the two-phase fields (liquid + austenite, liquid + cementite, and liquid + delta-ferrite). In heat treating of steels, the liquid phase is always avoided.

The steel portion of the Fe-C phase diagram covers the range between 0 and 2.08 wt. % C. The cast iron portion of the Fe-C phase diagram covers the range between 2.08 and 6.67 wt. % C.

The steel portion of the metastable Fe-C phase diagram can be subdivided into three regions: hypoeutectoid (0 < wt. % C < 0.68 wt. %), eutectoid (C = 0.68 wt. %), and hypereutectoid (0.68 < wt. % C < 2.08 wt. %).

A very important phase change in the metastable Fe-C phase diagram occurs at 0.68 wt. % C. The transformation is eutectoid, and its product is called pearlite (ferrite + cementite):

gamma-iron (austenite) —> alpha-iron (ferrite) + Fe3C (cementite).

Some important boundaries at single-phase fields have been given special names. These include:

• A1 — The so-called eutectoid temperature, which is the minimum temperature for austenite.
• A3 — The lower-temperature boundary of the austenite region at low carbon contents; i.e., the gamma / gamma + ferrite boundary.
• Acm — The counterpart boundary for high-carbon contents; i.e., the gamma / gamma + Fe3C boundary.

Sometimes the letters c, e, or r are included:

• Accm — In hypereutectoid steel, the temperature at which the solution of cementite in austenite is completed during heating.
• Ac1 — The temperature at which austenite begins to form during heating, with the c being derived from the French chauffant.
• Ac3 — The temperature at which transformation of ferrite to austenite is completed during heating.
• Aecm, Ae1, Ae3 — The temperatures of phase changes at equilibrium.
• Arcm — In hypereutectoid steel, the temperature at which precipitation of cementite starts during cooling, with the r being derived from the French refroidissant.
• Ar1 — The temperature at which transformation of austenite to ferrite or to ferrite plus cementite is completed during cooling.
• Ar3 — The temperature at which austenite begins to transform to ferrite during cooling.
• Ar4 — The temperature at which delta-ferrite transforms to austenite during cooling.

If alloying elements are added to an iron-carbon alloy (steel), the position of the A1, A3, and Acm boundaries, as well as the eutectoid composition, are changed. In general, the austenite-stabilizing elements (e.g., nickel, manganese, nitrogen, copper, etc) decrease the A1 temperature, whereas the ferrite-stabilizing elements (e.g., chromium, silicon, aluminum, titanium, vanadium, niobium, molybdenum, tungsten, etc) increase the A1 temperature.

The carbon content at which the minimum austenite temperature is attained is called the eutectoid carbon content (0.68 wt. % C in case of the metastable Fe-C phase diagram). The ferrite-cementite phase mixture of this composition formed during slow cooling has a characteristic appearance and is called pearlite and can be treated as a microstructural entity or microconstituent. It is an aggregate of alternating ferrite and cementite lamellae that coarsens (or "spheroidizes") into cementite particles dispersed within a ferrite matrix after extended holding at a temperature close to A1.

Finally, we have the martensite start temperature, Ms, and the martensite finish temperature, Mf:

• Ms — The highest temperature at which transformation of austenite to martensite starts during rapid cooling.
• Mf — The temperature at which martensite formation finishes during rapid cooling.

Kết quả (Việt) 1:

Biểu đồ pha đồng phân sắt-Carbon (Fe-C)Một nghiên cứu của microstructure tất cả thép thường bắt đầu với đồng phân cácbon sắt (Fe-C) nhị phân giai đoạn sơ đồ (hình 1). Nó cung cấp một nền tảng vô giá mà trên đó để xây dựng kiến thức của các loại thép cacbon và thép hợp kim, cũng như một số lượng nhiệt khác nhau phương pháp điều trị họ thường phải chịu (tôi kim loại, làm cho deo, vv).Biểu đồ pha đồng phân sắt-Carbon (Fe-C)Hình 1. Các Fe-C giai đoạn sơ đồ cho thấy giai đoạn mà đang được dự kiến ở ổn định động cân bằng cho các kết hợp khác nhau của nội dung cacbon và nhiệt độ. Biểu đồ đồng phân pha Fe-C đã được tính toán với nhiệt-Calc, cùng với PBIN nhiệt cơ sở dữ liệu.Bon thấp cuối của biểu đồ pha Fe-C ổn định động, chúng tôi phân biệt ferrite (alpha-sắt), tối đa có thể hòa tan 0.028 wt % C ở 738 ° C, và austenite (gamma-sắt), mà có thể hòa tan 2,08 wt % C ở 1154 ° C. Giai đoạn trường lớn hơn nhiều của gamma-sắt (austenite) so với alpha-sắt (ferrite) cho thấy rõ ràng các đáng kể vắt độ hòa tan của carbon trong gamma-sắt (austenite), giá trị tối đa là 2,08 wt % ở 1154 ° C. Xơ cứng thép cacbon, cũng như nhiều hợp kim thép, được dựa trên sự khác biệt này ở độ hòa tan của carbon trong alpha-sắt (ferrite) và gamma-sắt (austenite).Ở phía bên bon-phong phú biểu đồ đồng phân giai đoạn Fe-C, chúng tôi tìm thấy cementite (Fe3C). Ít quan tâm, ngoại trừ thép hợp kim cao, là đồng bằng-ferrit ở nhiệt độ cao nhất.Đại đa số các thép dựa vào chỉ hai dạng thù hình của sắt: (1) alpha-sắt, đó là tâm khối (BCC) ferrite, và (2) gamma-sắt, đó là lập phương tâm mặt (FCC) austenite. Ở áp suất môi trường xung quanh, BCC ferrite là ổn định từ tất cả nhiệt độ lên đến 912 ° C (điểm A3), khi nó biến thành FCC austenite. Nó reverts ferrit ở 1394 ° C (điểm A4). Ferrite nhiệt này được dán nhãn delta-sắt, mặc dù cấu trúc tinh thể của nó là giống hệt nhau của alpha-ferrite. Delta-ferrite vẫn ổn định cho đến khi nó nóng chảy ở 1538 ° C.Các khu vực với hỗn hợp của hai giai đoạn (ví dụ như ferrite + cementite, austenite + cementite, và ferrit + austenite) được tìm thấy giữa các lĩnh vực một pha. Ở nhiệt độ cao nhất, trường giai đoạn chất lỏng có thể được tìm thấy, và dưới đây là các lĩnh vực two-phase (chất lỏng + austenite, chất lỏng + cementite, và chất lỏng + delta-ferrite). Ở nhiệt độ điều trị thép, giai đoạn lỏng luôn luôn tránh được.Phần thép của biểu đồ pha Fe-C nằm trên một phạm vi giữa 0 và 2,08 wt % C. Phần gang của biểu đồ pha Fe-C nằm trên một phạm vi giữa 2,08 và 6.67 wt % C.Phần thép của biểu đồ pha Fe-C đồng phân có thể được chia thành ba khu vực: hypoeutectoid (0 < wt % C < 0,68 wt %), eutectoid (C = 0,68 wt %), và hypereutectoid (0,68 < wt % C < 2,08 wt. %).Một sự thay đổi rất quan trọng giai đoạn trong biểu đồ pha Fe-C ổn định động xảy ra tại 0,68 wt % C. Sự chuyển đổi là eutectoid, và sản phẩm của nó được gọi là pearlite (ferrite + cementite):Gamma-sắt (austenite)-> alpha-sắt (ferrite) + Fe3C (cementite).Một số ranh giới quan trọng ở một pha lĩnh vực đã được đưa ra tên đặc biệt. Chúng bao gồm:• A1-nhiệt độ như vậy gọi là eutectoid, là nhiệt độ tối thiểu cho austenite.• A3 — ranh giới nhiệt độ thấp hơn của vùng austenite tại carbon thấp nội dung; tức là, gamma / gamma + ferrite ranh giới.• Acm — ranh giới đối tác cho nội dung cácbon thấp; tức là, gamma / gamma + Fe3C ranh giới.Đôi khi, chữ cái c, e, hoặc r được bao gồm:• Accm — hypereutectoid thép, nhiệt độ mà tại đó các giải pháp của cementite trong austenite được hoàn thành trong hệ thống sưởi.• Ac1-nhiệt độ tại austenite mà bắt đầu hình thành trong hệ thống sưởi, với c được bắt nguồn từ chauffant Pháp.• Ac3 — nhiệt độ mà tại đó các biến đổi của ferrite để austenite được hoàn thành trong hệ thống sưởi.• Aecm, Ae1, Ae3-nhiệt độ của giai đoạn thay đổi ở trạng thái cân bằng.• Arcm — hypereutectoid thép, nhiệt độ lúc đó mưa cementite bắt đầu trong quá trình làm mát, với r được bắt nguồn từ refroidissant Pháp.• Ar1-nhiệt độ tại mà chuyển đổi của austenite ferrite hoặc ferrite cộng cementite được hoàn thành trong thời gian làm mát.• Ar3-nhiệt độ tại austenite mà bắt đầu để biến đổi ferrite trong quá trình làm mát.• Ar4-nhiệt độ mà tại đó delta-ferrite biến đổi để austenite trong thời gian làm mát.Nếu các yếu tố tạo được thêm vào một hợp kim sắt-cacbon (thép), vị trí của A1, A3, và ranh giới Acm, cũng như các thành phần eutectoid, đang thay đổi. Nói chung, các yếu tố austenite ổn định (ví dụ như, niken, mangan, nitơ, đồng, vv) làm giảm nhiệt độ A1, trong khi các yếu tố ferrite ổn định (ví dụ như, crom, silic, nhôm, Titan, vanadi, niobi, molypden, vonfram, vv) làm tăng nhiệt độ A1.Nội dung cacbon mà nhiệt độ tối thiểu austenite đạt được ở đây được gọi là nội dung cacbon eutectoid (0,68 wt % C trong trường hợp sơ đồ đồng phân giai đoạn Fe-C). Ferrite-cementite giai đoạn hỗn hợp của thành phần này được hình thành trong chậm làm mát có một sự xuất hiện đặc trưng và được gọi là pearlite và có thể coi là một thực thể microstructural hoặc microconstituent. Nó là dạng quả hợp của xen kẽ ferrite và lá mỏng cementite coarsens (hoặc "spheroidizes") thành các cementite hạt phân tán trong một ma trận ferrite sau khi mở rộng giữ ở nhiệt độ gần đường A1.Cuối cùng, chúng tôi có nhiệt độ bắt đầu mactensit, Ms và mactensit kết thúc nhiệt độ, Mf:• Ms-nhiệt độ cao nhất mà tại đó các biến đổi của austenite để mactensit bắt đầu trong thời gian nhanh chóng làm mát.• Mf-nhiệt độ tại mactensit mà hình thành kết thúc trong thời gian nhanh chóng làm mát.