Диаграммы состояния двойных систем

 

Системойназывается совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов – двухкомпонентную и т.д. Устойчивые химические соединения могут быть компонентами.

Диаграммы состояния (ДС), или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним и не учитывают кинетику процессов превращений.

По диаграммам состояния можно можно определить:

- число фаз, их весовое соотношение и состав фаз (содержание, концентрация компонентов в каждой фазе) в любом сплаве при любой температуре данной системы;

- можно проследить за структурными превращениями и дать качественную оценку ожидаемой структуры в сплаве при комнатной температуре.

Точкой ликвидус называется точка, отвечающая началу кристаллизации, а точкой солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Обычно ДС строят экспериментально в координатах температура - концентрация в весовых или реже атомных процентах. Для построения ДС используют термический анализ, разработанный Курнаковым Н.С. экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуры соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками. Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механические смеси кристаллов чистых компонентов (диаграмма состояния I рода). Компоненты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом – не растворимы и не образуют химических соединений. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов. Механические смеси образуют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и оло­ва, алюминия и кремния и др. Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. Внача­ле строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы (рис. 29.). Температуры их кристаллизации соответствуют горизонтальным площадкам на кривых 1 и 6 (для свинца 327°С и для сурьмы 631°С). Далее рассматрива­ются несколько сплавов с соответствующим содержани­ем свинца РЬ и сурьмы Sb, %, например: РЬ 95, Sb 5; Pb 90, Sb 10; Pb 87, Sb 13; Pb 60, Sb 40. Строятся кривые их ох­лаждения (кривые 2-5 соответственно).

Критические точки, полученные на кривых охлажде­ния, переносятся на диаграмму состояния и соединяются. получаются линии АЕВи MEN.Линия АЕВдиаграм­мы является линией ликвидус: все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линия MENявляется линией солидус,ниже нее все сплавы свинец – сурьма находятся в твердом состоянии. В интервале меж­ду ликвидусом и солидусом сплав состоит из двух фаз — жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. Сплавы, содержащие менее 13% Sb, лежащие слева от эвтектического сплава, называют доэвтектическими, аболее 13% Sb, — заэвтектическими. Структура и свойства их резко отличаются. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой находятся избыточные кристаллы свинца, а в заэвтектических - кристаллы сурьмы. Различие структур определяет различие свойств сплавов.

Рисунолк 29 - Дииаграмма состояния сплавов Pb – Sb

Чтобы определить состояние сплава любого состава при данной температуре и для нахождения его критических точек с помощью диаграммы, нужно из точки, указывающей содержание концентрации данного сплава, провести вертикальную линию до пересечения с линиями ликвидус и солидус (см. рис. 29). Точки пересечения показывают начало и конец кристаллизации заданного сплава. Например, требуется определить со­стояние сплава, содержащего 50 % сурьмы при температуре 400°С. Точка пересечения вертикали с линиями ликвидус и солидус показывают, что данный сплав будет иметь две фазы - жидкий сплав и кристаллы сурьмы, так как точка соответствующая 400°С лежит в области диаграммы BEN.

В процессе кристаллизации не­прерывно изменяется концентрация фаз и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твердой увеличивается). Концентрацию (состав) и количество каждой фазы можно определить в любой точке двухфазной области диаграммы состояния, используя правило отрезков. Правило отрезков формулируется следующим образом. Через заданную точку диаграммы состояния проводится горизонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Длины отрезков горизонтальной линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

На рис. 30 показано применение правила отрезков для точки m диаграммы. Через нее проведена горизонтальная линия и отмечены точки пересечения с линиями диаграммы k и n. Проекции этих точек на ось концентраций k₁ и n_l показывают состав фаз. Так, для диаграммы состояния свинец - сурьма (рис.4,а) точка k_l показывает состав жидкой фазы, а точка n_l твердой фазы (100 % Sb). Для диаграммы состояния медь - никель (рис.4,б) точка k_l показывает состав жидкой фазы, а точка n_l состав твердого раствора.

Рисунок 30 - Пример применения правила отрезков: а – для сплавов, образующих механические смеси, б – для сплавов, образующих твердые растворы

 

Рассмотрим теперь определение относительного количества каждой фазы. Обозначим количество жидкой фазы Q_ж, а количество твердой фазы — Q_т. (Для примера на рис. 4,а твердой фазой является сурьма, а на рис. 4,6 — твердый раствор).

Тогда, в соответствии с правилом отрезков, количества фаз обратно пропорциональны длинам соответствующих отрезков:

Если обозначить количество всего сплава Q, то ему будет соответствовать отрезок kn, и можно найти относительные количества фаз:

;

Правило отрезков может быть применено для любой двухфазной области диаграммы состояния, т.е. не только для рассмотрения кристаллизации сплава, но и для изучения процессов, происходящих в твердом состоянии. В однофазных областях диаграммы состояния правило отрезков неприменимо. Любая точка внутри однофазной области характеризует концентрацию данной фазы.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной ра­створимостью компонентов в твердом и жидком состоянии (диаграмма состояния II рода).Эти диаграммы соответствуют сплавам, у которых компоненты и в жидком, и в твердом состоянии образуют раствор. Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора. К таким сплавам относят медь - никель, железо - никель, железо - хром, кобальт - хром и др. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов медь - никель (рис. 31). Кривая 1 является кривой охлаждения чистой меди с температурой кристаллизации 1083°С, кривая 5 — кривая охлаждения никеля с температурой кристаллизации 1452°С. Кривая 2 характерна для кристаллизации сплава, содержащего 20 % никеля. Кристаллизация этого сплава начинается в точке а, при этом образуется кристаллическая решетка меди, в которой имеется 20 % никеля. В точке b кристаллизация заканчивается. Аналогично кристаллизуются сплавы с содержанием 40% (кривая 3) и 80% никеля (кривая 4), но точки начала (а₁ и а₂) и конца (b₁ и b₂) кристаллизации у первого сплава ниже, чем у второго. Все точки начала и конца кристаллизации меди, никеля и указанных выше сплавов переносятся на диаграмму (рис. 5, справа). Соединяя эти точки, получим линии ликвидус АаВ и солидус АbВ. Выше линии АаВ сплав меди с никелем находится в жидком стоянии, а ниже линии АbВ — в твердом. В зоне между линиями АаВ и АbВ имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля и меди.

Диаграмма II-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что в первом случае образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава как у сплавов, образующих механическую смесь. Кроме того, у сплавов медь — никель начало и конец кристаллизации сплавов с различным содержанием компонентов протекают при различных температурах.

Рисунок 31-. Диаграмма состояния сплавов Cu - Ni

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной ра­створимостью компонентов в твердом состоянии (диа­грамма состояния III рода).Данная диаграмма характеризует сплавы, у которых компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно — в твердом и получающиеся твердые растворы образуют эвтектику. К таким сплавам относятся алюминий-медь, магний-алюминий, магний-цинк и др. Рассмотрим этот тип диаграммы в общем виде ( рис. 32). В сплаве могут существовать три фазы: жидкий сплав, твердый раствор αкомпонента В в компоненте А и твердый раствор βкомпонента А в компоненте В. Твердые растворы обозначены здесь строчными греческими буквами, а компоненты - заглавными латинскими буквами. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия ADCEB - линией солидус. По линии АС начинают выделяться кристаллы твердого раствора α, по линии СВ — твердого раствора β. Левее точки D кристаллизация заканчивается образованием структуры однородного твердого раствора α, a правее точки Е - однородного твердого раствора β. Точка D характеризует предельную растворимость компонента В в компоненте А, а точка Е - предельную растворимость компонента А в компоненте В. Чаще всего с понижением температуры растворимость компонентов уменьшается. Поэтому по линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов α_II и β_II. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией. Возможен случай, когда растворимость не уменьшается с понижением температуры. Тогда вторичная кристаллизация происходить не будет, а линии DF и EG будут вертикальными.

Рисунок 32 - Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

На участке DE кристаллизация заканчивается с образованием эвтектики. В данном случае эвтектика состоит не из механической смеси двух компонентов, как на диаграмме I рода, а из механической смеси твердых растворов α и β. Сплав соответствующий точке С диаграммы называется эвтектическим. Все сплавы, расположенные межу точками D и С, называются доэвтектическими, а между точками С и Е - заэвтектическими. После образования эвтектики в доэвтектическом сплаве также будет происходить вторичная кристаллизация твердого раствора β_II, а в заэвтектическом - твердого раствора α_II.

Диаграмма состояния сплавов, образующих хими­ческое соединение (диаграмма состояния IV рода).Данная диаграмма характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение. К таким сплавам относятся магний-медь, магний-кальций и др. Диаграмма этого типа в общем виде изображена на рис. 33. Она характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении A_mB_n. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. В случае устойчивого химического соединения каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь. Линия ADCEBявляется линией ликвидус данной диаграммы. На участке AD начинается кристаллизация компонента А, на участке DCE - химического соединения A_mB_n, на участке ЕВ - компонента В. Точка С диаграммы соответствует химическому соединению A_mB_n. Кристаллизация происходит пол­ностью аналогично кристаллизации сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Компо­нент А образует с химическим соединением A_mB_n эвтектику Э₁, состав которой соответствует точке D. Компонент В образует с химическим соединением A_mB_n эвтектику Э₂, состав которой соответствует точке Е.

Рисунок 33 - Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение

 

В некоторых сплавах могут одновременно находиться все виды соединений: механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Примером таких сплавов служат сталь и чугун.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов.Большой практический интерес представляют сплавы, у которых один из компонентов или оба имеют полиморфные превращения. В этих сплавах в результате термической обработки можно получать метастабильные состояния структуры с новыми свойствами.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов представлена на рис. 34. Сплав I после полного за­твердевания при температуре точки 2 в твердом состоянии в интервале темпе­ратур точек 3 и 4 изменяет кристалли­ческую структуру. Это вызвано поли­морфизмом компонента А, который до температуры точки А₁имеет тип кри­сталлической решетки А_α, а при тем­пературе более высокой - А_γ. Причем кристаллическая решетка А_γ такая же, как у компонента В, в результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых растворов.

В сплавах, составы которых лежат между точками х_аи х_b, превраще­ние γ →αпри охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным (γ + α). Сплавы, составы которых лежат правее точки х_b, в твердом состо­янии превращений не имеют, структура у них однофазная - γ–твердый раствор.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением.Из анализа диаграммы, представленной на рис. 35, можно заклю­чить, что после кристаллизации всех сплавов данной системы в опреде­ленном интервале температур образуется твердый раствор γ, который при понижении температуры ниже t₃испытывает эвтектоидное превращение

Образовавшуюся смесь двух твердых фаз принято на­зывать эвтектоидом. В свя­зи с переменной растворимо­стью компонентов в твердых растворах α и β при дальней­шем охлаждении следуют вто­ричные выделения твердых растворов βII и αII, которые показаны на структурной схеме сплавов, при­веденной под диаграммой (см. рис.9).

Рисунок 34 -Диаграмма состоя­ния сплавов с полиморфным превращением одного из ком­понентов

Рисунок 35 - Диаграмма состояния сплавов с полиморфными пре­вращениями компонентов и эвтектоидным превращением

 

20 Железо и его сплавы, Диаграмма Fe-C(Fe₃C)

Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производство чугуна и стали намного более чем в 10 раз превосходит производство всех других металлов, вместе взятых.Диаграмма состояний железо - углерод, которая будет рассмотрена в этой главе, дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Сталь - это сплав железа с углеродом с содержанием углерода менее 2,14 %, а чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14 % С. Более 80 % всех конструкций и деталей машин изготавливают из сталей и чугунов, поэтому изучение строения, свойств, особенностей режимов технологической и термической обработки этих материалов является актуальной задачей.

Свойства сталей и чугунов определяет диаграмма «железо - углерод», а точнее «железо – цементит», поскольку при содержании углерода более 6,67 % отсутствует металлическая составляющая. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe – Fe₃C (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе Fe – C (рис. 48). На то, что система Fe - С является более стабильной, чем система Fe – Fe₃C, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т.е. переходит в более стабильное состояние.

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом.Железо и углерод - элементы полиморфные. Железо с температу­рой плавления 1539°С имеет две модификации - αи γ. Модификация Fe_α существует при температурах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20 - 25°С). Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_γ существует в интервале температур от 911 до 1392°С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fe_α —> Fe_γ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Fe_γ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. Это используют при получении синтетических алмазов.

В сплавах железа с углеродом могут существовать 5 фаз: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит(обозначают Ф или α) — твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном - 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fe_α обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ_в = 300 МПа; δ= 40%; ψ = 70%; KCU = 2,5МДж/м²; твердость - 80- 100 НВ.

Рисунок 48 - Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

 

Аустенит(обозначают А или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe_γ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200 НВ) при 20 - 25 °С.

Цементит(обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного со­става) Fе₃С, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °С. Температуру пла­вления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 °С.

Графит— углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Каждая точка на диаграмме имеет свой физический смысл. Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 4

 

Таблица 4 - Характерные точки диаграммы состояния Fe - Fе₃С

 

Обозначение точки	t,ºС	С,%	Обозначение точки	t,ºС	С,%
A			C		4,3
H		0,1	F		6,69
J		0,16	G
B		0,51	P		0,02
N			S		0,8
D		6,69	K		6,69
E		2,14

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, a D — температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fe - Fе₃С происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно, цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита - вторичным, из феррита - третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD - линия первичного цементита, ES - линия вторичного цементита; PQ - линия третичного цементита. В системе Fe - Fе₃С происходят три изотермических превращения: перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)

;

эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

;

эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом.

Эвтектоид - механическую смесь перлита (0,8 %С) и эвтектики (ледебурита с 4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σ_в = 800... 900 МПа; σ_0,2 = 450 МПа; δ ≤ 16%; твердость - 180 - 220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 - 25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при 1539°С, а сплавов железа с углеродом - в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 49), где происходит перитектическое превращение.

Сталь состава I, содержащая около 0,05 % С, не испытывает перитектического превращения. Она кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3 - 4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сталь состава III, содержащая 0,16 % С, при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9 образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость - состав точки В. При 1499°С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз, перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Рисунок 49 - Часть диаграммы состояния Fe - Fе₃С для сталей, испытывающих перитектическое превращение

 

Стали состава II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16 % (углеродистые конструкционные стали марок 10 – 15). В интервале температур точек 5 0 в них выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержится избыточный феррит. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сьали типа IV содержат от 0,16 до 0,51 %С. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы по сравнению со сплавом III. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные стали, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру. Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 46 а). Именно при этих температурах выполняют большинство технологических операций (термическую обработку, обработку давлением и др.).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С (точка Р диаграммы), называют техническим железом. Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до 20 - 25 °С.

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002 % (сплав II на рис. 50 а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ на рис. 50 а). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При 20 - 25°С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002 % С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02 % о третичном цементите не упоминают.

 

Рисунок 50 - Часть диаграммы состояния Fe - Fе₃С для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение

Сплав II (рис. 50 б) с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных тем­пературе и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 50 б) с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Обычно все эти углеродистые стали относятся к классу конструкционных. Эвтектоидному превращению в них предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с+Ф_α. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bс.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав A_S + Ф_P с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав III (рис. 50 б) — заэвтектоидная сталь (С > 0,8 %). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%. Заэвтектоидные углеродистые стали относятся к классу инструментальных.

Превращения в чугунах при нагреве и охлаждении. В сплавах с содержанием углерода более 2,14 % при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами. Сплав II (рис. 51) - эвтектический белый чугун (4,3 % С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точ­ки Е и цементита. Образующаяся механическая смесь этих фаз, как известно, названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков .

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

В доэвтектических белых чугунах (С< 4,3 %) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис. 51) этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727°С превращается в перлит.

Рисунок 51 - Часть диаграммы состояния Fe - Fе₃С для высокоуглеродистых сплавов (чугунов)

Сплав III (см. рис. 51) - заэвтектический белый чугун (С> 4, 3 %). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале температур точек 5 - 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II.

 

Вопросы для самоконтроля по разделу

1. Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

2. Как обозначаются кристаллографические направления в плоскости?

3. Какие дефекты существуют в кристаллических решётках металлов?

4. Перечислите возможные варианты фазового состава у различных двойных сплавов?

5. В чём заключается эффект модифицирования сплавов?

6. Объясните суть и практическое значение правила отрезков?

7. Назовите прочностные и пластические характеристики металлических материалов.

8. Назовите фазы образующиеся в системе Fe – Fe₃С, сравните их свойства.

9. Чем отличается эвтектическое превращение от перитектического и эвтектоидного? Как называются структуры, образующиеся в системе Fe – Fe₃С при этих превращениях?

10. Что такое текстура?

11. Назовите виды разрушения материалов, и чем они характеризуются?

12. Что такое порог хладноломкости и критическая температура хрупкости материалов? Как определяется критическая температура хрупкости?