Системы с тремя компонентами

Применяемые на практике сплавы являются сплавами многих компонентов. Поэтому возникает необходимость изучения тройных и более сложных систем.

Диаграмма состояния сплавов с тремя компонентами изображается в трехмерном пространстве, имеет различные температурные поверхности, между которыми заключены объемы одинаковых фазовых состояний.

Основанием пространственной модели является равносторонний треугольник, который называется концентрационным.

Проведем анализ треугольника (рис. 20).

1.Вершины треугольника соответствуют чистым компонентам A,

B, C.

2.Внутри треугольника точки соответствуют тройным сплавам,

причем % А + % В + % С = 100%.

3.Сторона АВ – изображает двойные сплавы (А + В);

сторона ВС – (В + С); сторона АС – (А + С).

B

c'

c .O a

C, %

Рис. 20. Определение состава сплавов в равностороннем концентрационном треугольнике

Рассмотрим сплав в точке (·)О (рис. 20).

Чтобы определить процентное содержание компонентов в тройном сплаве, через заданную точку проводим линии, параллельные сторонам треугольника. Длина отрезка линии, доведенной до одной из

24

сторон треугольника, определяет содержание того компонента, который отвечает вершине треугольника, противолежащей этой стороне:

а = а' – содержание компонента А; b = b' – содержание компонента В; с = с' − содержание компонента С.

4. Сплавы на линии, параллельной стороне треугольника, имеют постоянное содержание того компонента, который соответствует противолежащей вершине треугольника (рис. 21).

Сплавы точек О1, О2, О3 имеют постоянное содержание компонента В:

b' = b'' = b'''.

B

Рис. 21. Анализ концентрационного треугольника: сплавы О1, О2, О3 имеют постоянное содержание компонента В

5. Сплавы на линии, проходящей через вершину треугольника, имеютпостоянноеотношениеконцентрацийдвухкомпонентов(рис. 22).

Рис. 22. Анализ концентрационного треугольника: сплавы О1, О2 имеют постоянное соотношение компонентов А и С

25

Из подобия треугольников следует, что ac′′ = ac′′′′ и т. д., то есть для

всех сплавов, лежащих на прямой, проходящей через вершину В, соотношение компонентов А и С будет постоянным.

Процессы кристаллизации тройных сплавов подчиняются тем же правилам: правилу фаз и правилу отрезков. Применение их затруднено более сложным изображением в пространстве.

Для более простого изображения диаграмм состояния тройных сплавов пользуются горизонтальными (при постоянной температуре) и вертикальными (при постоянном составе) разрезами пространственных моделей.

Многокомпонентные сплавы изучают построением горизонтальных или вертикальных разрезов.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Как известно, вид диаграммы состояния зависит от того, какие фазы образуют компоненты. Свойства сплава также зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

Поэтому между видом диаграммы состояния и свойствами сплава должна существовать определенная связь. На рис. 23 приведены четыре основных типа диаграмм состояний двухкомпонентных систем и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава с изменением состава сплава.

По ординате на нижних диаграммах откладывают показатели свойств или обратные им числовые величины. Крайние ординаты на диаграммах показывают свойства чистых компонентов. При значительной разнице в плотности содержание компонента В следует откладывать в объемных процентах, а не в массовых, как это обычно делается.

При образовании смесей (рис. 23, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

При образовании твердых растворов (рис. 23, б) свойства сплава изменяются по нелинейной зависимости, причем некоторые свойства, в первую очередь электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов. Следовательно, при образовании механической смеси электросопротивление повышается незначительно, при образовании твердого раствора – достаточно сильно. Поэтому

26

распад твердого раствора на две (или более) фазы приводит к повышению электропроводности (закон Курнакова).

При образовании ограниченных твердых растворов (рис. 23, в) свойства в интервале концентраций, отвечающем однофазным твердым растворам, изменяются по нелинейному, а в двухфазной области диаграммы – по линейному закону, причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

При образовании химического соединения его состав на диаграмме концентрация – свойства (рис. 23, г) отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае перелом прямой). Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной (особой) точкой. По диаграмме состав – свойства находим стехиометрическое соотношение компонентов данного химического соединения, определяя, какому процентному составу отвечает сингулярная точка.

27

3. ДИАГРАММАСОСТОНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

1.Железо и его сплавы с углеродом.

2.Основные структурные составляющие сплавов Fe – C .

3.Диаграмма состояния Fe – Fe3C.

Железо и его сплавыс углеродом

Железо – химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер – 26, относится к переходным металлам. Атомный радиус – 0,127 нм. Электронная конфигурация:

1s22s23p63s23p63d64s2.

Железо – блестящий, серебристо-белый металл, по содержанию в природе занимает второе место (после алюминия).

Чистое железо обладает высокой коррозионной стойкостью, однако в свободном виде встречается редко. Имеется метеоритное железо космического происхождения – «небесное железо».

В электротехнике используют техническое железо – железо Армко, содержащее 99,8–99,9% Fe и 0,1–0,2% примесей. Железо Армко производят в мартеновских печах.

Рассмотрим кривую нагревания чистого железа (рис. 24).

t, ºC

α

T

Рис. 24. Кривая нагревания чистого железа

28

Температура плавления железа 1539°С – точка А на диаграмме состояния железо – углерод (рис. 30).

Кристаллические решетки α-, β-, γ-Fe представляют собой объем-

но-центрированный куб (ОЦК) с периодом 0,28606 нм (рис. 25, а).

При температурах ниже 911°C (точка G, рис. 30) и выше 1392°C (точка N, рис. 30) существует α-Fe. Плотность его 7,68 г/см3. В интервале температур 1392–1539°С α-Fe обозначают как δ-Fe (не является новой аллотропической модификацией).

Ниже 768°С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую температуру, соответствующую магнитному превращению, называют точкой Кюри и обозначают А2. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

Микроструктуры α- и γ-Fe показаны на рис. 26, а, б.

a

а

a

б

Рис. 25. ОЦК решетка α-Fe (а); ГЦК решетка γ-Fe (б)

Рис. 26. Микроструктура α-Fe (а), γ-Fe (б) и феррита с третичным цементитом (в)

29

В интервале температур 911–1392°С существует γ-Fe; оно парамагнитно. Его кристаллическая решетка ГЦК – гранецентрированный куб с периодом 0,3645 нм (рис. 25, б). Плотность γ-Fe выше, чем α-Fe, и равна 8,0–8,1 г/см3, то есть превращение α  γ сопровождается сжатием (примерно на 1,0%).

Критическую точку α γ-превращения при 911°С обозначают как Ас3 (при нагреве) и Ar3 (при охлаждении), а δ γ при 1392°С – как Ас4 (при нагреве) и Ar4 (при охлаждении).

Механические свойства железа зависят от его чистоты и способа получения (табл. 2).

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

Железо образует сплавы с углеродом – стали и чугуны, в которых углерод придает железу прочность.

Углерод – неметалл, плотность графита 2,2 г/см3, температура плавления графита 4498°С (при давлении 10,3 ГПа), атомный радиус 0,077 нм. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также образует с ним химическое соединение – цементит (карбид железа Fe3C). Содержание углерода в цементите – 6,67%. Растворимость углерода в железе в твердом состоянии зависит от кристаллического строения железа.

На практике применяют металлические сплавы железа с содержанием углерода до 5%. Поэтому рассматривают только часть диаграммы от Fe до химического соединения Fe3C (цементит можно рассматривать как самостоятельный компонент диаграммы).

30