Wykres równowagi układu żelazo-węgiel, to wykres , który odzwierciedla równowagę fazową w stopach żelaza z węglem. Jest przedstawiany w dwóch wersjach : jako stabilny żelazo-grafit i metastabilny żelazo-cementyt Fe3 C. Pierwszy jest stosowany do opisu żeliw /surówek/ szarych, a drugi do stali i surówek białych. Wykres metastabilny rysowany jest linią ciągłą, a stabilny linią przerywaną. Każdy punkt na wykresie jest krytyczny i oznacza się przyjętymi zgodnie z normą dużymi literami. Opisane są one w przedstawionej tabeli.

2. Fazy, składniki strukturalne występujące w układzie żelazo-cementyt.

Oprócz żelaza Fe i cementytu Fe3C występuje roztwór ciekły L, roztwór stały węgla w żelazie α, zwany ferrytem α ,roztwór stały węgla w żelazie γ, zwany austenitem i roztwór stały węgla w żelazie δ , zwany ferrytem δ. Oprócz tego występują też składniki strukturalne składające się z dwóch faz : ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu z cementytem , ledeburyt przemieniony-mieszanina perlitu z cementytem i perlit- mieszanina eutektoidalna ferrytu α z cementytem.

Układ żelazo-cementyt został opracowany do zawartości 6,67 % C , co odpowiada procentowej zawartości węgla w cementycie Fe3C.

Rozpatrując wykres widać ,że powyżej linii likwidusu-ABCD znajduje się jedynie faza ciekła( L) , będąca roztworem ciekłym węgla w żelazie. Między liniami likwidusu ABCD i solidusu AHJECF współistnieją dwie fazy, których jedna to faza ciekła , a druga faza stała, przy czym w polu ograniczonym liniami ABHA fazą stałą są kryształy roztworu stałego węgla w żelazie α ( δ ) , w polnu ograniczonym liniami JBCE-kryształy roztworu stałego węgla w żelazie γ i w polu ograniczonym liniami CDFC-kryształy pierwszorzędowego cementytu.

Poniżej linii solidus AHJECF stopy występują tylko w stanie stałym.

W polu ograniczonym liniami AHN istnieja kryształy roztworu stałego węgla żelazie α ( δ ).-ferryt wysokotemperaturowy . Punkt H-maksymalna rozpuszczalnośc węgla w żelazie α.

Pole HJN jest mieszaniną kryształów roztworu stałego węgla w żelazie α ( δ)-punkt H i kryształów węgla żelazie γ ( punkt J).

W obszarze GSEJNG wystepuje austenit –roztwór stały , międzywęzłowy atomów węgla w żelazie γ ( do 2,11 % C).Ma największa gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temp. 727oC.Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik jasny z charakterystycznymi , prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

W obszarze QPG istnieje ferryt- roztwór stały międzywęzłowy atomów węgla w żelazie α o bardzo małej zawartości węgla ( ok. 0,02% ), dlatego jego własności mało różnią się od własności żelaza. Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik (barwa zbliżona do szarej).Istnieje do temp. 912oC-punkt G

Punkt P –zawartość 0,0218%C-maksymalna rozpuszczalność atomów węgla w żelazie α w temp. 727oC.

Punkt Q-zawartość 0,008%C-maksymalna rozpuszczalnośc atomów węgla w żelazie α w temp. pokojowej-0oC.

Pole ograniczone liniami ECFKS pod względem fazowym jest mieszaniną dwu faz stałych : austenitu( roztwór węgla w żelazie γ ) i cementytu.

Pod względem strukturalnym należy podzielić je na trzy części. Obszar ograniczony liniąES do zaw. 2,11%C zawiera głównie austenit oraz wydzielony z niego cementyt zwany drugorzędowym.

Pole między E i C o zaw. Od 2,11 %C do 4,30 %C w temp. powyżej 7270C do 1148oC to mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu zwana ledeburytem Jest składnikiem surówek ( żeliw) białych podeutektycznych,eutektycznych, nadeutektycznych. Cechuje go znaczna twardość i kruchość. Występuje w niektórych narzędziowych stalach stopowych.. Poniżej temp. eutektoidalnej 727˚C występuje jako ledeburyt przmieniony na skutek przemiany austenitu w perlit.

W układzie żelazo-cementyt rozróżniamy:

- ledeburyt przemieniony-składa się z ferrytu i cementytu . Występuje w zakresie temp. od 0 oC do 727OC w obszarze QPSK.

-ledeburyt nieprzemieniony –skłda się z cementytu i austenitu . Występuje w obszarze SEFKS w zakresie temp. od 727o C do 1148oC .

Cementyt-struktura złożona żelaza z węglem o zaw. 6,67%C. Cementyt zwany jest też węglikiem żelaza o strukturze rombowej.Jego gęstośc jest mniejsza od żelaza . Jest bardzo twardy i zarazem kruchy.W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych ( perlit, ledeburyt ) lub w postaci oddzielnych wydzieleń( pierwotny, wtórny, trzeciorzędowy).

Cementyt pierwszorzędowy-wydzielony z fazy ciekłej podczas krzepniecia surówek lub żeliw, czy też jako składnik eutektyki ledeburytowej. Występuje poniżej linii CD.

Cementyt drugorzędowy -wydzielony z austenitu podczas obniżania temp. od 1148 do 727oC lub jako składnik perlitu.Występuje poniżej linii ES.

Cementyt trzeciorzędowy –wydzielony z roztworu stałego węgla w żelazie α podczas obniżania temp. od 727oC do temp. otoczenia .Występuje poniżej QP do perlitu.

Cementyt (węglik żelaza, Fe3C) – jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. Cementyt jest jednym ze składników stali; jest materiałem twardym i kruchym, posiada strukturę krystaliczną rombową, jego twardość to około 65 HRC (800 HB), jest fazą metastabilną o zawartości węgla do 6,67%. Posiada liczne wiązania metaliczne, co sprawia, że posiada własności metaliczne.

W zależności od zawartości węgla w stopie można rozróżnić:

cementyt pierwotny, wydzielający się przy krzepnięciu stopów o zawartości 4,3-6,67% węgla z roztworu ciekłego ubożejącego w węgiel, w postaci grubych igieł

cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla.

Cementyt wtórny może wydzielać się w postaci igieł, siatki na granicach ziaren perlitu oraz jest jego składnikiem.

cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury.

Cementyt jest odporny na działanie czynników chemicznych, trudno trawi się nitalem (Mi1Fe). Dla ujawnienia cementytu w stopach żelaza stosuje się trawienie na gorąco pikrynianem sodu (Mi6Fe), który barwi cementyt na brunatno lub czarno.

Perlit mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla.

Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727°C. Nazwę swą zawdzięcza perlistemu odcieniowi, jaki posiada wypolerowany przekrój tej mieszaniny. Perlit ma budowę ziarnistą. Pojedyncze ziarno perlitu zbudowane jest z płytek (w przekroju widocznych jako linie) ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytki ferrytu do grubości płytki cementytu wynosi 7:1. Przy odpowiednim powiększeniu mikroskopowym (zwykle x250 do x500) widoczna jest wewnętrzna struktura perlitu, przy czym jasnoszare linie reprezentują ferryt, podczas gdy ciemnoszare cementyt.

Austenit – międzywęzłowy roztwór stały węgla oraz niekiedy innych dodatków stopowych w żelazie γ (gamma) (zobacz odmiana alotropowa). Rozpuszczalność węgla w austenicie bez dodatków stopowych nie przekracza 2,11% (w temperaturze 1148°C). Austenit nie zawierający poza węglem innych dodatków stopowych jest stabilny tylko w temperaturach powyżej 727°C (tzw. punkt eutektyczny). Austenit schłodzony poniżej tej temperatury rozpada się na mieszaninę ferrytu i perlitu, jeśli zawiera do 0,77% węgla, lub perlitu i cementytu, jeśli zawiera więcej niż 0,77% węgla. W przypadku zawartości 0,77% węgla przemienia się w perlit. Bardzo szybko schładzany austenit, przy zachowaniu pewnych warunków, może nie ulec rozpadowi na opisane wyżej mieszaniny, tylko przemienić się w martenzyt. Duże ilości dodatków stopowych, takich jak nikiel, obniżają temperaturę przemiany austenitycznej tak, że austenit pozostaje stabilny w normalnych temperaturach.

Austenit jest bardziej wytrzymały i mniej plastyczny niż ferryt. Jest paramagnetykiem.

Twardość: 120-200 HB - Skala twardości Brinella