Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия:

С. В. Давыдов, профессор кафедры «Триботехническое материаловедение и технологии материалов», докт. техн. наук, эл. почта: fulleren_grafen@mail.ru

Рассмотрены три группы проблем в изучении правой части диаграммы Fe₃C – 100 % C. К первой группе проблем относится отсутствие на диаграмме достаточно объемной линейки карбидов железа: FeC, Fe₂C, (кроме Fe₃C), Fe₃C₂, Fe₄C, Fe₅C₂, Fe₆C, Fe₇C₃, Fe₈C, Fe₂₀C₉, Fe₂₃C₆. Из этой группы карбидов, кроме цементита  Θ-Fe₃C, объективно выделены всего три значимых типа карбидов: ε-карбид Fe₂C, карбид Хегга 1-Fe5C2 и карбид Экстрема–Адкокка æ-Fe₇C₃, по химическому составу располагающиеся правее линии цементита и не отображенные на диаграмме состояния Fe₃C – 100 % C как полноценные фазы или компоненты диаграммы, которые по умолчанию считаются метастабильными переходными фазами. Вторая группа проблем заключается в том, что область фазового равновесия жидкость – пар диаграммы Fe – 100 % C в настоящее время неубедительна в научном плане, не изучена и никаких попыток к ее исследованию не предпринимают. Третья группа проблем состоит в том, что углерод как основной компонент сплавов диаграммы Fe – 100 % C в настоящее время рассматривают в виде чистого химического вещества графита с кристаллической гексагональной слоистой решеткой. Показано также, что при описании кристаллизации графита расплав чугуна следует рассматривать как однофазную систему в виде углеродно-железистого полимера, структурными базовыми элементами которого являются фуллерены и углеродные наночастицы на их основе. Рассмотрено применение аллотропов углерода для объяснения проблем структурообразования графита. Предложено существующую линию графита на диаграмме Fe₃C – 100 % C обозначать как линию атомарного углерода — С_атом.

1. Davydov S. V. Fe – 100 % С diagram. Part 1. Basic contradictions of the Fe – Fe₃С diagram. Chernye Metally. 2023. No. 2. pp. 66–73.
2. Kosolapova Т. Ya. Carbides. Moscow: Metallurgiya, 1968. 300 p.
3. Kulikov I. S. Thermodynamics of carbides and nitrides. Reference edition. Chelyabinsk: Metallurgiya. Chelyabinskoe otdelenie, 1988. 320 p.
4. High temperature carbides. Edited by G. V. Samsonov. Kiev: Naukova Dumka, 1975. 192 p.
5. Samsonov G. V., Kosolapova Т. Ya., Gnesin G. G. et al. Carbides and alloys based on them. Kiev: Naukova Dumka, 1976. 267 p.
6. Toth L. E. Transition metal carbides and nitrides. Moscow: Mir, 1974. 296 p.
7. Cementite in carbon steels. Edited by V. М. Schastlivtsev. Ekaterinburg: Izdatelstvo UMTs UPI, 2017. 380 p.
8. Okamoto Hiroyuki. The C-Fe (carbon-iron) system. Journal of Phase Equilibria. 1992. Vol. 13. No. 5. pp. 543–565.
9. Kundu S., Bhadeshia H. K. D. H. Crystallographic texture and intervening transformations. Scripta Materialia. 2007. Vol. 57. pp. 869–872.
10. Jack D. H., Jack K. H. Invited review: Carbides and nitrides in steel. Mater. Sci. Engin. 1973. Vol.11. pp.1–27.
11. Wood I. G., Vocadlo L., Knight K. S. et al. Thermal expansion and crystal structure of cementite, Fe3C, between 4 and 600 K determined by time-of-flight neutron powder diffraction. J. Appl. Cryst. 2004. Vol. 37. pp. 82–90.
12. Wicks C. Е., Block F. Е. Thermodynamic properties of 65 elements, their oxides, halides, carbides and nitrides. Moscow: Metallurgiya, 1965. 240 p.
13. Hester Esna Du Plessis. The Crystal Structures of the Iron Carbides. University of Johannesburg. 2006. 185 p.
14. Bhadeshia H. K. D. H. Cementite. International Materials Reviews. 2020. Vol. 65, Iss. 1. pp. 1–27.
15. Silman G. I. Refinement of the Fe-C diagram based on the results of thermodynamic analysis and generalization of data on the Fe-C and Fe-C-Cr systems. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1997. No. 11. pp. 2–7.
16. Zhukov А. А., Snezhnoy R. L. On the shape of the liquidus curve in the melting region of cementite on the iron-diamond phase diagram. Izvestiya AN SSSR. Metally. 1976. No. 3. pp. 192–199.
17. Zhukov А. А. On the state diagram of alloys of the Fe-C system. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1988. No. 4. pp. 2–9.
18. Zhukov А. А., Shterenberg L. Е., Shalashov V. А., Tomas V. К., Berezovskaya N. А. Pseudohexagonal iron carbide Fe7C3 and eutectic Fe3C-Fe7C3 in the Fe-C system. Izvestiya AN SSSR. Metally. 1973. No. 1. pp. 181–184.
19. Bannykh О. А., Buddberg P. B., Alisova S. P. et al. State diagrams of binary and multicomponent systems based on iron. Moscow: Metallurgiya, 1986. 440 p.
20. Vertman А. А., Samarin А. М. Properties of iron melts. Moscow: Nauka, 1969. 279 p.
21. State diagrams of binary metallic systems: Handbook: in 3 Volumes. Vol. 1. Edited by N. P. Lyakishev. Moscow: Mashinostroenie, 1996. 992 p.
22. Lakhtin Yu. М. Materials science and heat treatment of metals: textbook for universities; 3rd edition revised and additional. Moscow: Metallurgiya, 1983. 360 p.
23. Doru M. Stefanescu, Gorka Alonso, Ramon Suarez. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys. Metals. 2020. Vol. 10, Iss. 2. pp. 221–260.
24. Alonso G., Doru M. Stefanescu, Larranaga Pello. Graphite nucleation in compacted graphite cast iron. International Journal of Metalcasting. 2020. Vol. 14, Iss. 2. pp. 1162–1171.
25. Theuwissen K. J., Lacaze L. Structure of graphite precipitates in cast iron. Carbon. 2016. Vol. 96. pp. 1120–1128.
26. Radzikowska J. M. Metallography and microstructures of cast iron. Metallography and Microstructures. 2004. Vol. 9. pp. 565–587.
27. Binder C., Bendo T., Hammes G. O. Structure and properties of situ-generated twodimensional turbostratic graphite nodules. Carbon. 2017. Vol. 124. pp. 685–692.
28. McSwain R. N., Bates C. E. Graphite growth in cast iron. AFS International cast metal journal. 1976. No. 3. pp. 53–57.
29. Bunin К. P., Malinochka Ya. N., Taran Yu. N. Fundamentals of cast iron metallography. Moscow: Metallurgiya, 1969. 416 p.
30. Zhukov А. А., Snezhnoy R. L., Davydov S. V. On forming of compact graphite in cast iron. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1981. No. 9. pp. 21–25.
31. Zhukov А. А., Davydov S. V., Ivanenko S. М. Radial structural component in graphite globules of ductile iron. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1985. No. 10. pp. 44–45.
32. Davydov S. V. Crystallization of nodular graphite in ductile iron melt. Zagotovitelnye proizvodstva v mashinostroenii. 2008. No. 3. pp. 3–8.
33. Kasperek J., Tellier J.-C., Ortiz M. Aspects de la germination du graphite dans des fontes synthetiques еlaborees sous vide. Fonderie fоndeur d`aujourd`hui. 1991. Iss. 101. pp. 29–37.
34. Stefanescu D. M., Crisan A., Alonso G. Growth of spheroidal graphite on nitride nuclei: disregistry and crystallinity during early growth. Metallurgical and Materials Transactions A. 2019. Vol. 50A, Iss. 4. p. 1763–1772.
35. Itofuji H. Magnesium map of the spheroidal graphite structure in ductile cast irons. Cast metals. 1992. Vol. 5, Iss. 1. pp. 6–19.
36. Cast iron: reference edition. Edited by A. D. Sherman and A. A. Zhukov. Moscow: Metallurgiya, 1991. 576 p.
37. Zhukov А. А., Snezhnoy R. L., Girshovich N. G., Davydov S. V. On the submicroheterogeneous structure of liquid iron. Liteynoe proizvodstvo. 1980. No. 6. pp. 3, 4.
38. Zhukov А. А., Snezhnoy R. L., Davydov S. V. On the role of "metal-carbon" sandwich complexes in mass transfer in the graphitization of cast irons and the synthesis of diamonds. Liteynoe proizvodstvo. 1983. No. 1. pp. 5, 6.
39. Zhukov А. А. On the forms of existence of carbon in cast irons. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1992. No. 11. pp. 34, 35.
40. Davydov S. V. Different mechanisms for compacting the graphite phase in cast iron and graphitized steel. Liteynoe proizvodstvo. 1998. No. 12. pp. 8, 9.
41. Davydov S. V. Crystallization of nodular graphite in ductile iron melt. Zagotovitelnye proizvodstva v mashinostroenii. 2008. No. 3. pp. 3–8.
42. Davydov S. V. New ideas about the crystallization of nodular graphite. Chernaya metallurgiya. Byulleten nauchno-tekhnicheskoy i ekonomicheskoy informatsii. 2018. No. 6. pp. 67–75.
43. Zhukov А. А. Geometric thermodynamics of iron alloys: 2^nd edition revised. Moscow: Metallurgiya, 1979. 232 p.
44. Zhukov А. А. Fullerenes and graphite spheroidization in iron alloys. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2000. No. 7. pp. 3–6.
45. Kuzeev I. R., Zakirnichnaya М. М., Samigullin G. Kh. et al. Fullerene model of high-carbon iron-based alloys. Izvestiya AN SSSR. Metally. 1999. No. 1. pp. 74–79.
46. Zakirnichnaya М. М., Kuzeev I. R., Tkachenko О. I. Formation of fullerenes during the diffusion of carbon into the steel structure. Neft i gaz. 2012. No. 2. pp. 112–119.
47. Zakirnichnaya М. М. Formation of fullerenes in carbon steels and cast irons during crystallization and thermal effects: thesis of inauguration of Dissertation … of Doctor of Engineering Sciences. Ufa: UGNTU, 2001. 48 p.
48. Zakirnichnaya М. М. Influence of cast iron cooling conditions on the formation of fullerenes. Liteynoe proizvodstvo. 2001. No. 8. pp. 8, 9.
49. Zakirnichnaya М. М. Method for identification of fullerenes isolated from iron-carbon alloys. Zavodskaya laboratoriya. 2001. No. 6. pp. 39–49.
50. Domrachev G. А., Lazarev А. I., Kaverin B. S. et al. The Role of carbon and metal in the self-organization of the iron-carbon system at different contents of components. Fizika tverdogo tela. 2004. Vol. 46, Iss. 10. pp. 1901–1915.
51. Bunina N. V., Petrakovskaya E. А., Marachevskiy А. V. et al. Synthesis and study of ironfullerene clusters. Fizika tverdogo tela. 2006. Vol. 48, Iss. 5. pp. 952–954.
52. Zhukov А. А. On the state diagram of alloys of the Fe–C system. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1988. No. 4. pp. 2–9.
53. Bataleva Yu. V., Palyanov Yu. N., Borzdov Yu. М., Bayukov О. А., Sobolev N. V. Conditions for the formation of graphite and diamond from iron carbide at P,T-parameters of the lithospheric mantle. Geologiya i geofizika. 2016. Vol. 57. No. 1. pp. 225–240.
54. Palyanov Y. N., Bataleva Yu. V., Sokol A. G. et al. Mantle-slab interaction and redox mechanism of diamond formation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013. Vol. 110. No. 51. pp. 20409–20413.
55. Nikolis G., Prigozhin I. Self-organization in nonequilibrium systems. Moscow: Mir, 1979. 308 p.
56. Haken H. Advanced synergetics: instability hierarchies of instabilities in self-organizing systems and devices. Translated from English. Moscow: Mir, 1985. 432 p.
57. Prigozhin I. The end of certainty. Time. Chaos and the new laws of nature. Translated from English by Yu. A. Danilov. Izhevsk: NITs "Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika", 2001. 208 p.
58. Davydov S. V. A new approach to the classification of modification methods. Metallurgiya mashinostroeniya. 2006. No. 5. pp. 5–9.
59. Davydov S. V. New technologies for modifying cast irons. Metallurgiya mashinostroeniya. 2010. No. 3. pp. 8–13.
60. Davydov S. V. State diagram of alloys of the "iron-carbide ε- Fe2C" system: monograph. Moscow; Vologda: Infra-Inzheneriya, 2021. 280 p.