Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения.

Сплавы, имеющие химическое соединение (рис. 1.20 б) компонентов А и В. имеют сложную диаграмму состояния. Химическое соединение обозначают А_mВ_n. Это указывает на то. что в данном соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Число фаз в данной системе три — жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (фаза α) и твердый раствор компонента А в компоненте В (фаза β).

Рис. 1.20 Диаграмма состояния сплавов для случая образования компонентами А и В химического соединения

Данная диаграмма как бы составлена из диаграмм для двух систем: компонент А — химическое соединение А_mВ_n, и компонент В — химическое соединение А_mВ_n В сплавах левее точки С компонента А имеется больше, чем входит d химическое соединение А_mВ_n Следовательно, в этих сплавах левее точки С образуется эвтектика α+ А_mВ_n В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может входить в химическое соединение А_mВ_n Следовательно, в этих сплавах образуется эвтектика А_mВ_n + β.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния.

Рис. 1.21. Диаграмма состав — свойства для сплавов типа: а - механической смеси, б — твердого раствора, в — химического соединения; А и В - компоненты сплава, А_mВ_n— химическое соединение, Н — твердость. Е — электропроводность

Между составом и структурой, сплава (рис. 1.21). определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава, имеется определенная зависимость (правило Н. С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно (рис. 1.21, а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1.21,6). В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями (рис. 1.21, в). При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.

По диаграммам состояния можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий. Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохую жидкотекучесть, склонны к образованию пористости и трещин). В свою очередь эвтектические сплавы имеют хорошую жидкотекучесть.

Диаграмма состояния железо-цементит.

Началу изучению железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки было положено Д.К. Черновым в 1868 году.

Основными компонентами от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод.

Чистое железо – металл серебристо – белого цвета; температура плавления 1539° С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911^°С, и выше 1392^°С :γ железо – при 911 -1392°С

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) — -твердый раствор внедрения углерода α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость — 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80—100) и прочность (σ_В = 250 МПа), но высокую пластичность (σ = 50%; φ= 80%).

2. Аустенит (А)- твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% — при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых спла­вах. Аустенит имеет твердость НВ 160—200 и весьма пластичен (δ = 40—50%)

3. Цементит (Ц). — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe₃ С3Fe+C.

Рис.1.22 Кристаллическая решетка и микроструктура цементита

4. Графит (Г) - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в ви­де включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и хлопьевидной др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

5. Перлит (П) — механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике,, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зёрна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σ_В = 800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, со­стоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита тем хуже механические свойства перлита

6. Ледебурит (Л) — механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600—700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой, и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe + Fe₃P + Fe₃C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границе зерен и повышает хрупкость чугуна.

В диаграмме состояния железо - цементит (Fe—Fe₃C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали, чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры.

Рис. 1.23 Диаграмма состояния железо—цементит (в упрошенном виде): А - аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит. Ц — цементит

Диаграмма (рис. 1.23) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита ( 6, 67% С)

Сплавы с содержанием углерода до . 2,14% называют сталью, а от 2.14 до 6,67% -чугуном.

Диаграмма состояния Fe—Fe₃C представлена в упрощенном виде

Первичная кристаллизация т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539°С плавления (затвердевания) железа, точка D – температура ~1600°С плавления затвердевания цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии СD цементит, называемый первичным цементитом В точке С. при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустент и цементит (первичный) образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ сплавы с содержанием углерода до 2.14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвёрдёвают с образованием эвтектики (ледебурита и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С -аустенита, а в интервале 4,3— 6,67% С - цементита первичного (см. рис. 1.20)В результате первичной кристаллизации во всех"сплавах с содержанием углерода до 2,14% т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK. и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементитa, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с пониже­нием температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре!

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита - перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют . эвтектоидной (рис. 1.24 б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 1.23 ,а), а от 0,8 до 2,14% углерода — заэвтектоидными (рис. 1.24, в). При температурах, соответствующих линии PSTC происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения при температурах, соответствующих линии SE аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Рис.1.24

а - доэвтектоидная сталь — феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500^х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000^х), в - заэвтектоидная сталь — перлит и цементит в виде сетки (200^х)

Рис. 1.25. Микроструктура белого чугуна при 500^х увеличении:

а - деэвтектический чугун перлит (темные участки) и ледебурит

-цементит вторичный в структуре не виден), б - эвтектический чугун - ледебурит (смесь перлита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 1.25). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими.

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, со­держащий более 4,3%. углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения темпере туры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.