Твердые растворы также делятся в зависимости от степени растворимости компонентов на растворы с ограниченной растворимостью компонентов и с неограниченной растворимостью.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто пользуются методом термического анализа. Экспериментальная сущность этого метода заключается в следующем. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов.

Существуют сплавы – механические смеси, которые образуются в случае невозможности растворения компонентов, находящихся в твердом состоянии. Данные компоненты не могут создать соединения посредством химической реакции. Механические смеси включают элементы, обладающие разными свойствами и строением. В состав сплава включены кристаллы компонентов, которые образуют кристаллические решетки.

Химические соединения – сплавы, которые образуются из разных элементов, содержащих разнородные атомы, между которыми сила взаимодействия значительно выше, чем между однородными атомами.

Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими материалами. Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Чистое железо – это серебристо-светлый металл, практически не подверженный окислению. Атомный номер 26, атомный вес 55,85. Технически чистое железо содержит 0,10-0,15 % всех примесей. Свойства железа зависят от степени его чистоты. Температура плавления – 1539 °C, плотность – 7,85 г/см³. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью и хорошей пластичностью. Чистое железо меньшей прочности, чем чугун или сталь.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.

При растворении углерода в железе образуются твердые растворы. Феррит – раствор, получаемый при растворении углерода в низкотемпературной модификации железа. Характеризуется низкой твердостью и повышенной пластичностью. Углерод, растворяясь в высокотемпературной модификации железа, образует пластичный аустенит.

Углерод в природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза, который имеет сложную кубическую решетку, и в форме графита, имеющего простую гексагональную решетку.

Цементит – карбид железа, содержащий 6,67 % углерода. Хрупкий и твердый. В том случае, если в металле присутствует большое количество кремния, образование цементита не происходит. В данном случае углерод преобразовывается в графит (серый чугун).

Содержание углерода в диаграмме Fе – С (цементит) ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрация образуется химическое соединение – карбид железа (Fе_зС) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Система Ре – Fе₃С метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539 °C) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500 °C) – температуре плавления цементита, точки N (1392 °C) и G (910 °C) соответствуют полиморфному превращению.

Железоуглеродистые сплавы – это стали и чугуны, которые являются основными материалами, используемыми в машиностроении и современной технике.

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.

Стали сочетают высокую жесткость со статической и циклической прочностью. Эти параметры меняют за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, получают стали с различными свойствами и используют их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, которая предназначена для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °C) деформирования.

Стали классифицируют по качеству на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Качество стали – это совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными. По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Марки сталей обыкновенного качества Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, листы, трубы. Стали применяют в строительстве для сварных и болтовых конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Стали Ст5 и Ст6, имеющие более высокое содержание углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Выплавление качественной углеродистой стали производится при соблюдении строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,…, 85, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали имеют высокую прочность и высокую пластичность. Стали, не обработанные термически, применяются для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0.3–0.5 % С) 30, 35, …, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. Эти стали имеют высокую прочность при более низкой пластичности, их применяют для изготовления небольших или крупных деталей, не требующих сквозной прокаливаемости. Стали с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, износостойкостью. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, замковые шайбы, прокатные валки.