Диаграмма состояния системы железо–углерод

Металлические сплавы — это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро- и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений
и механических смесей.

Твердые растворы состоят из двух и более компонентов, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке основного компонента,
замещая его атомы, либо внедряясь в кристаллическую
решетку.

Химические соединения могут быть в виде металлов
с неметаллами (Fe ₃ C) или металлов с металлами (CuAl ₂, CuNi). Они обладают конкретными физико-механическими свойствами. Например, цементит (Fe ₃ C) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом. Каждая из фаз сохраняет свою
кристаллическую решетку. Например, у сталей могут одновременно быть смеси феррита и аустенита или перлита
и цементита. Диаграммы состояния строятся на основе кривых нагрева и охлаждения. Рассмотрим сплав (рис. 1.25) ìåäü–íèêåëü (Cu – Ni). Àòîìû Cu и Ni могут соединяться
в любых пропорциях (0–100 %), образуя твердый раствор, при этом атомы Ni могут замещать в кристаллической
решетке Cu все атомы. По горизонтальной оси откладывается содержание компонентов в твердом растворе, а по вертикальной — температура. Точка 1083° C показывает температуру ïëàâëåíèÿ ìåäè, à òî÷êà 1452° C — никеля. Нижняя линия (солидус) — это граница твердого раствора. Ниже
ее оба металла и смесь находятся в твердом состоянии
(в кристаллическом виде). Выше верхней линии (ликвидуса) располагается область жидкого раствора обоих этих металлов и сплавов. В «чечевице», очерченной нижней и верхней линиями, лежит область смеси кристаллов и более тугоплавкого металла с капельками более легкоплавкого.

В правой части рис. 1.25 находятся кривые нагрева и охлаждения смеси (в данном случае представлена 50 % смесь) этих металлов. На основании таких кривых, полученных
для различных смесей, в интервале 0–100 % и построена диаграмма состояний. На кривых нагрева и охлаждения видны горизонтальные линии: при разрушении кристаллов тепло подводится, но повышения температуры нет, т. к. это тепло расходуется на разрушение кристаллов; при кристаллизации, наоборот, выделяется тепло, поэтому температура сплава по времени не снижается.

Для компонентов (пример для смеси свинец–сурьма),
неограниченно растворимых в жидком состоянии и совершенно нерастворимых в твердом состоянии, с образованием механической смеси (эвтектики), диаграмма представлена
на рис. 1.26.

На первом участке диаграммы до 13 % Sb ниже линии температур 327–243° C кристаллизуется свинец, а далее
на участке температур 631–243° C — сурьма. В точке С кристаллизуется вновь свинец и сурьма, и жидкость без промежуточных фаз переходит в твердое состояние. Эта смесь называется эвтектикой. До нее будет доэвтектический сплав (Рb + Э), а после — заэвтектический сплав
(Sb + Э). В точке С самая низкая температура плавления (243° C) сплава.

Имеется связь характера диаграмм состояний со свойствами (электропроводность, твердость, прочность и т. д.). Так, для первой группы сплавов — твердых растворов — с ростом концентрации компонента (например, Ni на рис. 1.25) механические свойства (твердость, прочность) увеличиваются,
а для второй группы (рис. 1.26) имеется точка экстремума,
т. е. сначала механические характеристики повышаются,
а далее снижаются.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов (рис. 1.27) (феррит и аустенит), химического соединения (цементит)
и механических смесей (перлит, ледебурит…).

Феррит — это твердый раствор внедрения углерода в a-железо. Он очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен. Углерода в нем очень мало (около 0,002 %). В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет. Углерод замещает центральный атом объемно-центрированной кубической решетки (a-железо) или вакансии кристаллической решетки.

Фазовые превращения (рис. 1.28) происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768° С a-железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898° С эта решетка превращается в гранецентри­рованную кубическую решетку, называемую g-железом.

Аустенит — это твердый раствор внедрения углерода
в g-железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2 %.

При 1401° С g-железо превращается в s-железо с объемно-центрированной решеткой, существующей до температу­ры плавления железа (1539° С).

Цементит — это химическое соединение (карбид железа Fe ₃ C), содержащее 6,67 % углерода и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло. Цементитная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением, и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

Fe ₃ C ® Fe + C.

Ледебурит — это механическая смесь (эвтектика),
состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3 % углерода, образуется при температурах ниже 1147° С, имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит — механическая смесь (эвтектоид), состоящая
из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727° С. Углерода в перлите 0,8 %.

На основе кривых охлаждения и нагрева сплавов Fe – C, различных по содержанию углерода (рис. 1.28), строится диаграмма состояний (рис. 1.29) системы железо–углерод. На ней имеются линии: ликвидуса — АСD; солидуса — AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса — в твердом (кристалли­ческом) состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т. е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

В точке S аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цементита — перлит. Сплав
в точке S — эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8 % — доэвтектоидный, а более 0,8 % — заэвтектоидный. После 0,8 % происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

Точка А — это температура плавления чистого железа Fe, а точка D — температура плавления цементита Fe ₃ C. Точка Е (2,14 % С) делит сплав на две группы: стали и чугуны. Левее этой точки будут стали, а правее — чугуны.

Температура плавления стали с увеличением количества углерода С снижается, а чугунов после 4,3 % — увеличивается.

Сразу после затвердевания структура сталей состоит
из аустенита, а чугунов после 2 % из смесей: аустенит + цементит; цементит + ледебурит.

При охлаждении сплавов С < 0,8 % (левее точки S)
аустенит распадается, из него выделяется феррит.

В эвтектоидной точке С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита — ледебурит. Сплавы левее точки С — доэвтектоидные, правее — заэвтектоидные.

Если чугуны состоят из ледебурита и цементита, то это будут белые чугуны (белый оттенок на изломе). Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются, используются для передела в сталь. Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т. е. в виде графита, то это серые чугуны.

Диаграмма железо–углерод имеет большое практическое значение для инженеров. По ней можно определить температуру плавления и затвердевания сталей и чугунов, интервалы температур при обработке сталей давлением (ковка, штамповка…) и термической обработке (закалка, отпуск…), т. е. она нужна металлургу, кузнецу и термисту.

Дата добавления: 2014-12-16