Fergana polytechnic insitute mechanical engineering faculty department of mechanical engineering and automation

Laboratory work -5 
Topic: Processing of iron carbon state diagram. 
Purpose of the work: 
To study the iron-carbon phase diagram 
Necessary tools and materials:
. 
1. TSH-2M type hardness measuring device. 2. Magnifier for measuring the 
mark on the metal surface. 3. Sample set. 4. Shtangentcircul' SHTS-1. 
Theoretical information 
The rule of phases. 
A state diagram shows the stability of a system's state, that is, under given 
conditions, the system is in a state with minimum free energy. That's why it's called 
an equilibrium diagram, it shows what equilibrium phase exists under a given 
condition. 
The mathematical expression showing the relationship between the number of 
phases, the number of components and the number of degrees of freedom of any 
system in the state of equilibrium is called the law of phases, or GIBBS law. 
A phase refers to a homogeneous part of the system bounded by separation 
surfaces from other parts, and the chemical composition and structure of the 
substance changes dramatically when passing through this surface. Therefore, a 
homogeneous liquid is one-phase, and a mechanical mixture of two crystals is two-
phase, because each crystal differs in its composition and structure and is limited by 
a separation surface. 
A component is a component of a system. Therefore, a pure metal is a one-
component system, etc. Chemical compounds can be called components only if they 
do not dissociate in the range of the temperature being tested. 
The number of external and internal factors (temperature, pressure, and 
concentration) that can be changed without affecting the number of phases in the 
system is called the number of degrees of freedom or option of the system. 
If the number of degrees of freedom is equal to zero (the system is invariant), 
when the internal and external factors of the system (temperature, pressure and 
concentration) are changed, the number of phases of the system will also change. 

---

144 
If the number of degrees of freedom is equal to one (multivariate), the number 
of system phases does not change when one of the above factors is changed within 
a certain limit. 
The mathematical expression of the law of phases when applied to metal alloys 
at constant pressure is: 
1



f
K
C
C – number of degrees of freedom, K – number of components, 

f
number of 
phases. 
As an example, let's consider how the degrees of freedom of a one-component 
system change for the crystallinity of a pure metal (K=1). Figure 1 shows the 
crystallization process of a pure metal. At temperature t 
1 
, the metal is in a liquid 
state, i.e. ( 
1

f
) is a single phase.
1
1
1
1
1
'







f
K
C
1

C
So, one of the 
parameters can change while the number of phases does not change, and a change 
in temperature does not change the number of phases. 
Using the number of phases ( ) at the temperature of crystallization shows that 
two phases (liquid and solid) are in equilibrium at a fixed temperature (t 
2

f
2 
). 
Therefore, the temperature can change until one of the phases disappears, until the 
system becomes monovariant. 
Iron 
The melting temperature of iron is 1539 
O 
K 

5 
O 
C. Iron can exist in two 
allotroic modifications in the solid state: 

- iron (Fe 

) crystal lattice side-centered 
cube, 

- iron (Fe 

) crystal lattice volume-centered cube. 
911 
o 
C 

, iron 

changes to iron, and at 1401 
o 
C , 

iron 

changes to iron, 
which 

is different from low temperature iron and 

is called iron. Such transitions 
are explained by changes in the free energy of iron depending on the temperature 

. 

Figure 

12 shows the variation of the free energy of 

iron modification 
depending on the temperature. Figure 1 shows that in the temperature range of 911 
o 
C - 1401 
o 
C Fe

the free energy of Fe

less than Therefore, in this temperature 
range, Fe

will be available. 

---

145 
Cementite 
Cementite - Fe 
3 
C (iron carbide) - is a chemical combination of iron and carbon. 
The melting temperature of cementite is about 1600 
o 
C. Cementite is very hard, with 
a hardness of about 800HB, and plasticity is practically zero. Cementite is not a 
stable compound, it decomposes under certain conditions and separates into iron 
with free carbon in the form of graphite:
C
Fe
C
Fe


3
3
Determination and determination of the structural structure of iron-carbon 
alloys 
Austenite (A) is a solid solution of iron with a maximum carbon content of 
2.14% at a temperature of 1130 

o C. 
Austenite is a face-centered cubic crystal lattice 
(K 12). 
is a solid solution of iron with a maximum carbon content of 0.025% at 723 
o 
C and 0.01% C at room temperature . 

The crystal lattice of ferrite is a size-centered 
cube (K 8). 
pearlite (p) is a eutectoid mechanical mixture of ferrite and cementite. perlite 
contains 0.8% carbon. It is formed from austenite at a temperature of 723 
o 
C as a 
result of eutectoid reaction (A 
e 

F 
r +I).
Ledeburite (L) is a eutectoid mechanical mixture of austenite and cementite. 
Ledeburite contains 4.3% carbon at a temperature of 1180 
o 
K 
As 

A 
E 
+S is formed as a result of eutectic reaction. In primary cementite (S 
I 
) crystallization, Ac (liquidus) separates from the liquid phase below the line (Fig. 
1). 

---

146 
Figure 1. Iron carbon phase diagram