Диаграмма состояния сплавов
В целом состояние любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры графически изображается диаграммой состояния. В зависимости от того, в какое взаимодействие вступают компоненты, образующие сплав, определяется и строение металлических сплавов. Форма, размеры, и характер взаимного расположения фаз в сплаве определяют структуру сплавов
Кроме превращений, связанных с переходом из жидкого состояния в твердое, диаграммы состояния отражают и вторичные превращения – превращения в твердом состоянии. Примером таких превращений являются:
-аллотропические превращения (полиморфизм);
- изменение растворимости компонентов;
и некоторые другие.
Эти превращения имеют важное практическое значение, так как определяют возможность их использования для определенных видов термической обработки и режимов их проведения.
Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния, т. е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Теоретическое и практическое значения диаграмм состояния очень велики, так как они дают возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Пользуясь диаграммой состояния, можно так же установить температуры литья, горячей пластической деформации и т. д.
4. Диаграмма состояния Fe-c
Наиболее широкое распространение в промышленности имеют сплавы железа. Основные из них - сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Ниже приводятся их свойства, строение компонентов и фаз.
Чистое железо металл серебристо – белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Свойства железа зависят от степени его чистоты. Технически чистое железо содержит 0,10 – 0,15 % примесей и плавится при температуре 15390 С (±5 град.), плотность 7,68 г/см3, прочность 25 кг/см2 , относительное удлинение 50%. Железо испытывает полиморфные превращения - существование металлов в зависимости от температуры в разных формах кристаллических решеток. При нагреве с комнатной температуры до 9110 С железо имеет объемно-центрированную кристаллическую (о. ц. к.) решетку (общепринятое обозначение –Fe-a). При более высокой температуре происходит превращение о.ц.к. в г.ц.к. – гранецентрированную кристаллическую решетку (принятое обозначение-Fe-Y) (см. рис. 8). В результате полиморфных превращений образуются новые кристаллические зерна, превращения сопровождаются изменением всех свойств металлов и сплавов.
а) б)
а - Fe-a, б - Fe-Y
Рисунок 8 - Полиморфные состояния железа
Углерод является неметаллическим элементом. Атомный номер 6, плотность 2,5 г/см3, температура сублимации 35000 С. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и виде алмаза, фуллеренов и графена.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения. В системе «железо-углерод» различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, механические смеси – перлит и ледебурит, химическое соединение – цементит.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в альфа железе, обозначается Fe-a (C). Максимальная растворимость углерода в феррите составляет 0,02 % при температуре 7270 С, при комнатной температуре – 0,006 %. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа (НВ=80). Атом углерода располагается в центре грани куба α – железа, а также в вакансиях, на дислокациях. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных зерен (рис.9).
Рисунок 9 – Микроструктура феррита × 250
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ - железе, обозначается FeY,(С)(рис.10). Максимальная растворимость углерода в нем 2,14% при температуре 11470 С, минимальная - 0,8% при7270 С.
Рисунок 10 – Микроструктура аустенита×500
Аустенит парамагнитен, обладает высокой пластичностью, имеет низкие значения предела прочности, твердости (НВ примерно 170 ÷ 220). Атом углерода в решетки γ – железа располагается в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла. Свойства аустенита определяются содержанием углерода и температурой сплава. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна.
Перлит - Равномерная механическая смесь цементита в ферритной основе, содержанием углерода 0,8% . Обладает более высокими прочностью и твердостью (НВ =200). Микроструктура перлита представляет собой перемежающиеся очень тонкие пластинки белого цементита и темного феррита (рис.11).
Рисунок 11 – Микроструктура перлита×1000
Цементит - карбид железа Fе3С, образующийся при концентрации углерода 6,67%. Цементит имеет высокую температуру плавления, очень высокую твердость (НВ=800). Очень плохо травится и практически не поддается наблюдению под микроскопом.
Ледебурит - Равномерная механическая смесь точечного перлита в цементитной основе, содержанием углерода 4,3%. Ледебурит - единственный из всех железоуглеродистых фаз, который кристаллизуется при постоянной температуре с образованием механической смеси (11470С). Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Микроструктура ледебурита представляет собой светлые зоны цементита и темные зоны перлита.
Для сплавов железа характерны магнитные свойства, которые при нагреве и охлаждении изменяются. При нагреве магнитные свойства уменьшаются и при 7680 С (точка Кюри ) у железа происходит потеря магнитных свойств : до 7680 С железо ферромагнитно, выше этой температуры – парамагнитно. Это свойство не связано с аллотропией. Установлено, что при магнитных превращениях происходят изменения в характере межэлектронного взаимодействия.
На рисунке 12 приведена диаграмма состояния железо – углерод, на которой указаны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С).
Рисунок 12 - Диаграмма состояния «железо-цементит»
В этой системе кинетическое образование карбида железа более вероятно, поэтому в данном пособии рассматривается диаграмма состояния « железо цементит».
Диаграмма железо - углеродистых сплавов более сложная, чем диаграмма превращения чистого железа, так как изменение количества углерода в сплаве обуславливает изменение температуры структурных превращений.
Концентрация углерода для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe3С приведена по оси абсцисс, текущие температуры – по оси ординат. Диаграмма железо - углеродистых сплавов характеризует зависимость состояния сплавов от процентного соотношения компонентов и температуры.
Для диаграмм состояния сплавов процессы структурных превращений, происходящие в сплавах, принято обозначать линиями. Линии диаграммы состояния Fe – С имеют следующие обозначение и физический смысл: АС (линия ликвидус) соответствует температурам начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж ); СД (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации цементита (Fe3C) из жидкого сплава - его принято называть первичным в силу первородности происхождения; АЕ (линия солидус) соответствует температуре окончательного перехода системы в твердое состояние означает конец кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 2,14%. Линия ЕСF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики-ледебурита. В сплавах «железо – углерод» есть эвтектика и эвтектоид. То и другое представляет собой равномерную механическую смесь двух (как правило) структурных составляющих, при этом эвтектика означает, что смесь получена из жидкого состояния (при первичной кристаллизации), эвтектоид – из твердого (при вторичной кристаллизации или, как принято это называть, рекристаллизации).
Рассмотрение состояния сплавов в зависимости от температуры является несколько ограниченным, так как кроме температуры на состояние сплавов оказывает влияние давление, скорость охлаждения и некоторые другие условия. Практикой принято рассматривать состояние сплавов только при изменяющейся температуре, поскольку изменять давление представляется довольно затруднительным, так же как и изменять скорость охлаждения.
Для чистого железа наблюдаются разные состояния при изменяющейся температуре. Критические точки A и G (рис. 12) характеризуют полиморфные превращения, определяемые природой металла - точка А соответствует температуре плавления (при нагревании твердого тела) и кристаллизации (при охлаждении жидкого состояния). При t=15390С имеет место равенство энергии твердого и жидкого состояний. При последующем охлаждении система переходит в твердое состояние, железо имеет ГЦК решетку.
При охлаждении ниже 9110С происходит полиморфное перестроение кристаллической решетки железа, ГЦК переходит в ОЦК. При последующем охлаждении тип кристаллической решетки не изменяется.
Фазы в системе железо – углерод. При наличии примесей в жидком железе изменяется кинетика превращений, примесные включения затрудняют перемещения атомов, связанные с созданием кристаллической решетки. Атомам железа требуется большая энергия для приближения к другим родственным атомам и создания кристаллической решетки, и чем больше примесей в жидком сплаве, тем больше энергии требуется для этих целей. Линия АС характеризует начало превращения сплавов с разным содержанием углерода: чем больше углерода в сплаве, тем при все более низких температурах начинается процесс кристаллизации. После начала кристаллизации, т. е. с понижением температуры сплава ниже линии АС, часть железа переходит в твердое состояние. Концентрация атомов железа в оставшейся жидкости становится меньше, поэтому больше количество углерода (относительно оставшегося в жидкости железа). В связи с этим, при данной конкретной температуре все железо не может перейти в твердое состояние, т. к для перехода и образования кристаллической решетки в оставшейся в жидкости атомам железа потребуется большая энергия, что может быть обеспечено только понижением температуры.
При температурах, соответствующих линии АЕ, при разном содержании углерода система переходит в твердое состояние полностью. До линии АЕ сплавы имели в своем составе твердые кристаллы железа и жидкость. На линии АЕ вся жидкость переходит в твердое состояние - железо имеет ГЦК решетку. Углерод находится в виде раствора внедрения внутри ГЦК решетки. Эта структура называется аустенитом. Охлаждение сплава до линии GS обусловливает только лишь уменьшение кристаллической решетки, никаких других процессов нет. При 9110С энергии кристаллических решеток чистого железа (ГЦК и ОЦК) равны между собой и состояния равнозначны.
Чистое железо при температуре ниже 911˚С претерпевает изменения типа кристаллической решетки: гранецентрированная решетка перестраивается в объемно-центрированную. Твердые растворы внедрения углерода в ОЦК решетке называются ферритом.
В сплавах железа с углеродом (при содержании углерода от 0 до 0,8%) начало превращений определяется содержанием углерода, и чем больше углерода, тем при все более низкой температуре начинаются процессы превращений, о чем и свидетельствует линия GS. Процесс превращений сопровождается перераспределением углерода: пограничные зерна аустенита превращаются в феррит (гранецентрированная решетка превращается в объемно-центрированную), в котором в силу малого объема вновь образованной решетки не может содержаться весь имеющийся в сталях углерод. Избыточный углерод обогащает внутренние зерна оставшегося аустенита (рис.13).
Рисунок 13 – Рост зерна феррита по границам зерна аустенита
Это определяет невозможность дальнейших превращений обогащенного аустенита при данной температуре, поэтому тип кристаллической решетки рассматриваемого сплава не изменяется. И чем больше углерода в сплаве, тем при все более низкой температуре начинаются процессы рекристаллизации (повторной кристаллизации, кристаллизации в твердом состоянии). Превращения могут происходить только при большем охлаждении, причем всякое превращение обуславливает обогащение оставшегося аустенита углеродом. Эти превращения происходят таким образом, что на линии РS оставшийся аустенит, постепенно обогащаясь по мере охлаждения, всегда содержит 0,8% углерода - независимо от исходного содержания углерода в стали. При этом в сталях с большим содержанием углерода при 7270 С (на линии РS) количество оставшегося аустенита становится больше.
Рассматриваемые стали при достижении t=7270С (PSK) характеризуются наличием различных структур, которые определяются общим содержанием углерода. Феррит, образовавшийся ниже GS, при охлаждении уменьшает кристаллическую решетку и, в связи с этим - содержание углерода. В феррите максимальное содержание углерода соответствует 0,02%. При охлаждении сплавов ниже температуры линии РS происходит закономерное уменьшение объема кристаллической решетки. В связи с этим появляется избыточный углерод, не имеющий возможности находиться внутри кристаллической решетки. Этот углерод вытесняется и в силу действия закона сродства элементов друг другу происходит объединение частиц углерода до возможности образования цементита. Малое количество углерода обуславливает образование цементитных включений в виде мельчайших частиц, проявляющих себя только при значительном увеличении и не влияющих практически на свойства сталей. Образование вышеуказанных цементитных включений связано с третичной кристаллизацией: первичная кристаллизация железа происходит при переходе из жидкого в твердое состояние, вторичная кристаллизация - при охлаждении ниже линии GS. Образование цементитных включений является следствием третичной кристаллизациии, поэтому цементит считается третичным. При понижении температуры количество цементитных включений увеличивается, однако, как указывалось выше, они не могут влиять на свойства сталей.
В любых сталях в аустените на линии PS (7270 C) содержится 0,8% С. При последующем охлаждении гранецентрированная решетка железа диффузионным путем превращается в объемноцентрированную. При этом часть углерода оказывается избыточной. Благодаря большей активности и в силу сродства друг к другу избыточный углерод образует колонии цементита, что в свою очередь облегчает формирование феррита вокруг цементита - таким образом, получается перлитное зерно вместо аустенитного. В целом структура сталей с содержанием от 0,02 до 0,8% С характеризуется смесью перлита и феррита. При увеличении содержания углерода стали содержат все большее количество перлита. И наконец, в сталях, содержащих углерода 0,8%С, получается чисто перлитная структура, представляющая из себя равномерную смесь феррита и цементита. Такая равномерная механическая смесь называется эвтектоидом, поскольку является продуктом превращений в твердом состоянии.