Диаграмма состояния с твердым раствором на базе химического соединения

α и β - твердые растворы на базе чистых компонентов, а γ - твердый раствор на базе химического соединения A_nB_{m .}Нетрудно заметить, что предыдущая диаграмма представляет сдвоенную диаграмму сплавов – смесей из чистых компонентов, то диаграмма, приведенная на рисунке представляет сдвоенную диаграмму сплавов – смесей из твердых растворов.

Диаграмма с неустойчивым химическим соединением

В отличие от диаграммы с устойчивым химическим соединением, диаграмма состояния, где два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры разлагается на жидкость и один из компонентов, т.е. не расплавляется полностью. На линии DCF находятся в равновесии три фазы: жидкость концентрации D, кристаллы компонентаВ и кристаллы химического соединения A_nB_{m .}

При нагреве неустойчивое химическое соединениеA_nB_m распадается на жидкость концентрации D и кристаллы В. При охлаждении, произойдет обратная реакция: L_D+B→A_nB_m.

Реакция эта подобна перитектической; жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор, как в случае перитектической реакции, а химическое соединение.

Процесс кристаллизации Ι в равновесных условиях будет протекать следующим образом. В точке 1 начинается кристаллизация, выпадают кристаллы В, и концентрация жидкости изменяется по кривой 1 – D. В точке 2 при постоянной температуре образуется неустойчивое химическое соединение.

По окончании реакции в избытке остается жидкость, которая кристаллизуется с выделением соединения A_nB_mдо тех пор, пока концентрация жидкости не достигает точки Е. Тогда оставшаяся жидкость кристаллизуется в эвтектику, состоящую из кристаллов А и химического соединения. Следовательно, на кривой будет иметь две площадки: верхнюю, соответствующую образованию неустойчивого химического соединения, и нижнюю, соответствующую образованию эвтектикиА+ A_nB_{m .}

2.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Основы диаграммы Fe – C были созданы Д.К.Черновым, который в 1868 г. впервые установил существование критических точек железа и зависимости температуры этих точек от содержания углерода в сплаве. В последующие годы Ф.Осмонду удалось измерить эти температуры, и с использованием разработанной Д.Гиббсом теории фазовых равновесий Р. Аустен в 1899 г. построил первую диаграмму состояния Fe – C. Несколько позже более полный, близкий к современному вид диаграммы представил Г.Розенбум, после чего продолжались ее исследования, вносились поправки и уточнения.

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Углерод в сплавах после охлаждения находится в составе феррита и цементита. Так как феррит содержит ничтожно мало углерода, то с увеличением концентрации углерода в сплавах прямо пропорционально возрастает количество цементита: при 0,8%С его доля составляет 12%, при 2,0%С доля цементита равна 30%, а при 4%С количество цементита достигает 60%. Поскольку цементит является твердой и хрупкой фазой, то с ростом концентрации углерода у сталей и белых чугунов увеличиваются твердость, пределы прочности и текучести, электросопротивление, уменьшаются плотность, пластичность, ударная вязкость, теплопроводность и магнитная проницаемость.

Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^oС 5^oС.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^oСи 1392^oС. При температуре ниже 911^oСсуществует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^oСустойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^oСжелезо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392^oС превращения - точкойА₄.

При температуре ниже 768^oС железо ферромагнитно (Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля), а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^oСобозначаетсяА₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (δ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода. При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП). По линии HN начинается превращение феррита (δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (δ) в аустенит заканчивается. По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается. По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры. По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения. По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии. Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка): А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А; A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения; A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А; A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение ; Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3). Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .

Жидкая фаза (Ж) представляет неограниченный раствор железа и углерода с равномерным распределением их атомов при наличии металлической связи между ними за счет валентных электронов.

Ферритом называется твердый раствор внедрения углерода в α- железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит ( ) ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Благодаря столь малому содержанию угле­рода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твер­дость и высокая пластичность) .Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768^o С.

Твердый раствор углерода в высоко­температурной модификации Fe_α (т. е. в Fe_δ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенитом (А) называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_g c решеткой ГЦК и размещением атома углерода в центре объема элементарной ячейки. Максимальная растворимость углерода в Fe_g составляет 2,14% при температуре 1147^оС, что значительно превышает предельное содержание углерода в феррите. Это объясняется тем, что межатомное пространство, необходимое для наиболее благоприятных условий внедрения атома углерода, в решетке ГЦК представляет центр ячейки с размерами намного больше, чем центр грани в решетке ОЦК.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 %при температуре 727^oС (точка S), максимальную –2,14 %при температуре 1147^oС (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200-250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

Цементит (Ц) является карбидом железа Fe₃C со сложной плотноупакованной ромбической решеткой. Он содержит 6,67 % С и обладает метастабильностью (неустойчивостью) так, что при нагреве еще до температуры плавления 1260^оС начинается его распад с образованием стабильных фаз железа и углерода. Межатомные связи в решетке цементита имеют металлический и ковалентный характер, и это придает ему типичные для промежуточной фазы высокую твердость 10000 НВ и отсутствие пластичности. До температуры 210^оС цементит проявляет слабые ферромагнитные свойства, при более высоких температурах он переходит в парамагнитное состояние.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру (Видманштетова структура— разновидность металлографической структуры сплавов в металловедении и метеоритике, отличающаяся геометрически правильным расположением элементов структуры в виде пластин, полигонов или игл внутри составляющих сплав кристаллических зёрен).

Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава Вторичный цементит - из аустенита Третичный цементит - из феррита