В сплавах железа с углеродом (сталях и чугунах) могут образовываться следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и графит.
Феррит - является твёрдым раствором внедрения углерода в альфа-железе. (Обозначается Fea(C) или Ф). a-железо устойчиво при температурах ниже 911 °С. Оно отличается объёмоцентрированной кубической решёткой (ОЦК – решёткой), в междоузлиях (порах) которой размещаются атомы растворяющегося углерода. Растворимость углерода в a-железе крайне низкая, максимум 0,02 % по массе при температуре 727 °С. С понижением температуры она снижается и достигает 0,006 % при комнатной температуре. По этой причине феррит можно считать практически чистым железом. Феррит, так же как и чистое железо, является мягкой, пластичной фазой с твёрдостью от 80 до100 НВ, в зависимости от содержания углерода.
Необходимо отметить, что ОЦК – решётку железо имеет в двух температурных интервалах: при температурах ниже 911 °С (a-железо) и в диапазоне температур от 1392 °С до температуры плавления, равной 1539 °С (это так называемое d-железо). Твёрдый раствор внедрения углерода в d-железе называют высокотемпературным ферритом.
В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК-решётку). Это так называемое g-железо. В g-железе углерод растворяется значительно лучше, чем в железе с ОЦК-решёткой. Твёрдый раствор внедрения углерода в g-железе называют аустенитом (обозначают Feg(C) или А). Максимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при 1147 °С и составляет 2,14 %, что в 100 раз выше, чем у феррита. С понижением температуры эта растворимость падает, достигая 0,8 % при температуре 727 °С. Аустенит пластичная фаза, но примерно в 2 раза твёрже феррита (160 – 200 НВ).
Цементит (Ц)- это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа с химической формулой Fe3C. Содержание углерода в цементите постоянное - 6,67 % по массе. Цементит отличается высокой твёрдостью и хрупкостью. Твёрдость этой фазы в 10 раз выше твёрдости феррита и составляет @ 800 НВ. Различают цементит первичный, вторичный и третичный. (ЦI, ЦII и ЦIII). Первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации. Вторичный цементит выпадает из аустенита при его остывании, что обусловлено снижением предельной растворимости углерода в аустените с уменьшением температуры. Третичный цементит выпадает из феррита в процессе его остывания, что обусловлено снижением растворимости углерода в феррите. Цементит является метастабильной (неустойчивой) фазой. При нагреве и длительной выдержке он распадается на железо и углерод, а точнее на феррит и графит, который является более стабильной чем цементит фазой.
Графит это углерод с гексагональной, слоистой структурой. Он отличается мягкостью и малой пластичностью, имеет температуру плавления 3500 °С. Графит наблюдается в высокоуглеродистых сплавах (чугунах) при их равновесном (медленном) затвердевании. В этом случае создаются благоприятные условия для диффузии атомов углерода и формирования в структуре сплава графитных включений.
Помимо вышеназванных четырёх фаз, в сплавах железа с углеродом различают ещё две самостоятельные структурные составляющие - перлит и ледебурит, которые, по сути, являются двухфазными смесями.
Перлит (П) – является механической смесью феррита и цементита. Это эвтектоид системы Fe–C, который образуется из аустенита посредством эвтектоидной реакции, протекающей при температуре 727 °С. Перлит содержит 0,8 % С и может иметь пластинчатую или зернистую структуру.
Ледебурит (Л) – представляет собой механическую смесь аустенита и цементита. Ледебурит является эвтектикой системы Fe–C и образуется из жидкой фазы при температуре 1147 °С в результате эвтектической реакции. Содержание углерода в ледебурите – 4,3 %. При температуре 727 °С аустенит ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение (превращается в перлит), поэтому при температурах ниже 727 °С ледебурит является механической смесью перлита и цементита.
Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов
Существует две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов - метастабильная и стабильная. Метастабильная диаграмма отражает структурно-фазовое состояние сплавов, в которых углерод находится в связанном состоянии - в виде метастабильного химического соединения – цементита. Хотя цементит термодинамически менее устойчив, чем графит, его образование по кинетическим соображениям является более вероятным.
Метастабильная диаграмма состояния «железо-цементит», в упрощённом виде, выглядит следующим образом:
| |||
| |||
1539 °С Ж
 | |||||||||
| |||||||||
А+Ж
|
|
|
1147 °С A
|
911 °С
 | |||||||
 |  | ||||||
|
|
|
727 °С Ф
|
| |
0 0,8 2,14 4,3 6,67 % С
0 100 % Ц
Здесь по оси Х отложено содержание углерода в массовых процентах от 0 до 6,67 %, что соответствует содержанию цементита от 0 до 100 %. Точка А (1539°С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1260 °С) – температуре плавления (распада) цементита. Точка G (911°С) является точкой полиморфного превращения железа из a- в g-модификацию или наоборот. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF – линией солидус. На линии ECF (1147 °С) происходит эвтектическое превращение, а на линии PSK (727 °С) – эвтектоидное. Линия ES характеризует растворимость углерода в аустените, а линия PQ – растворимость углерода в феррите. Области существования различных фаз на диаграмме состояния отмечены большими буквами. Участок диаграммы состояния от 0 до 2,14 % С соответствует сталям, а остальная её часть – чугунам.
Стабильная диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов отражает фазовый состав сплавов, в которых углерод находится в виде стабильной фазы – графита. Такую диаграмму называют «железо-графит». От метастабильной диаграммы «железо-цементит» она отличается тем, что её линии немного смещены вверх и влево, а вместо цементита присутствует графит.