Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 4 )

4.2.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии

На рис.4.1 показана диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Такой тип диаграммы соответствует сплавам Cu-Ni, Ag-Au и др. В таких сплавах при охлаждении происходит только одно фазовое превращение – кристаллизация.

Рис.4.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Кристаллизация сплавов начинается при температурах tН, образующих линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Кристаллизация чистых компонентов А и В идет при постоянных температурах (tA и tB соответственно), тогда как кристаллизация твердых растворов – в интервале температур (tН-tК). Окончанию кристаллизации соответствуют температуры tК - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии, в виде α-твёрдого раствора. В области между линиями ликвидус и солидус находятся в равновесии две фазы: жидкий раствор и α-твердый раствор.

Диаграммы состояния позволяют определить структуру сплавов после завершения всех фазовых превращений при охлаждении. В данном случае структура любого сплава после охлаждения представляет собой зерна a-твердого раствора (рис. 4.1).

4.2.2. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой

Компоненты образуют твердые растворы с ограниченной растворимостью: α – твердый раствор компонента В на базе кристаллической решетки компонента А, и β – твердый раствор компонента А на базе кристаллической решетки компонента В (рис.17). ACB – линия ликвидус. AECDB – линия солидус. Линии EF и DK – линии переменной растворимости. При охлаждении по линии EF из α-твердого раствора выделяются избыточные кристаллы βII компонента В, а по линии DK – избыточные кристаллы αII компонента А. В точке С кристаллизуется эвтектика. Эвтектика – смесь двух твердых фаз, образованная из жидкой фазы.

Жс → (α+β) – эвтектика.

Сплав с содержанием компонентов в точке С называют эвтектическим, сплавы левее точки С – доэвтектические, а правее – заэвтектические. Эвтектический сплав имеет наименьшую температуру плавления. Эвтектика кристаллизуется при постоянной температуре (как чистые металлы), остальные сплавы – в диапазоне температур. Сплавы с твердыми растворами ограниченной растворимости и эвтектикой имеют широкое применение (Al-Cu, Al-Si и др.).

Рис.4.2. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой.

4.3. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов

Рис.4.3. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов: а – сплавы с неограниченной растворимостью, б – сплавы с эвтектикой, в – сплавы с химическим соединением

Свойства сплавов отличаются от свойств образующих их компонентов: твердость и твердость сплавов выше, а пластичность – ниже, чем у чистых металлов.

В твёрдых растворах с неограниченной растворимостью наибольшая твердость и прочность достигается при примерно равном соотношении компонентов (Рис. 4.3а). Свойства смесей (эвтектик, эвтектоидов) изменяются по линейной зависимости (Рис. 4.3б). В сплавах с химическими соединениями при концентрации компонентов, соответствующей этому соединению, наблюдаются максимально высокие твёрдость и прочность, хрупкость, высокая температура плавления и другие особые физические свойства (Рис. 4.3в).

Глава 5 ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Основными сплавами на основе железа являются стали и чугуны – сплавы системы железо-углерод

5.1. Компоненты и фазы в системе Fe-C

Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).

Углерод: элемент IV группы таблицы , с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.

Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.

Феррит – твердый раствор углерода в Feα.

Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.

Цементит – Fe3С (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Тпл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.

Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см3, решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах

5.2. Диаграмма состояния железо-цементит

В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe3C. Диаграмма Fe-Fe3C соответствует метастабильному равновесию системы железо-углерод.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А3) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А4) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Превращения при охлаждении сплавов:

1. Кристаллизация начинается по линии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD – кристаллы первичного цементита ЦI. Кристаллизация заканчивается на линии солидус AJECF.

2. Эвтектическое превращение. На линии ECF (1147°C) в точке С жидкая фаза кристаллизуется в эвтектику ледебурит – смесь двух твердых фаз, аустенита и цементита

Ж4,3%С→А2,14%С + Ц6,67%С. – ледебурит

Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называют доэвтектическими, их структура – аустенит+ледебурит. При содержании С > 4,3% – заэвтектическими со структурой ледебурит+цементит первичный.

3. Полиморфное превращение А®Ф происходит в сплавах с содержанием углерода менее 0,8%С. Начало превращения соответствует линии GS (А3), конец превращения – линиям GP и PS.

4. Распад твёрдых растворов: аустенита с выделением цементита вторичного ЦII идет по линии SE - линии переменной растворимости углерода в g-железе (Аcm) и феррита с выделением цементита третичного ЦIII по линии PQ - линии переменной растворимости углерода в a-железе.

5. Эвтектоидное превращение протекает при 727°C по линии PSK (A1). Аустенит с содержанием углерода 0,8%С превращается в эвтектоид перлит

А0,8%С ®Ф0,02%С+Ц6,67%С.

Перлит – это эвтектоидная смесь феррита с цементитом.

Сплав с концентрацией углерода 0,8%С и структурой перлита называют эвтектоидным. Сплавы с концентрацией углерода от 0,02% до 0,8%С – доэвтектоидные со структурой перлит+феррит. Сплавы с концентрацией углерода от 0,8% до 2,14%С – заэвтектоидные, их структура - перлит+цементит вторичный.

Рис.5.2. Микроструктуры железо – углеродистых сплавов в равновесном состоянии: а -техническое железо, б, в – доэвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,2% и 0,4% соответственно, г – эвтектоидная сталь, д, е – заэвтектоидная сталь, ж – доэвтектический белый чугун, з – эвтектический белый чугун, и – заэвтектический белый чугун

Ниже температуры 727°С во всех структурах вместо аустенита присутствует перлит. Фазовый состав всех сплавов ниже температуры 727°С одинаков: в равновесии находятся две фазы - феррит и цементит.

5.3. Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+ЦIII (Рис. 20а).

Стали –сплавы с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%С:

·  доэвтектоидные стали, 0,02%<С<0,8%, их структура - Ф+П (Рис.20 б, в);

·  эвтектоидная сталь содержит 08%С, структура - П (Рис.20 б, г);

·  заэвтектоидные стали, 0,8%<%С<2,14%, структура - П+ЦII (Рис.20 д, е).

Чугуны – сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%С. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита, называют белыми:

·  - доэвтектические белые чугуны, 2,14%<%С<4,3%, структура П+Л+ЦII (Рис.20 ж);

·  - эвтектический белый чугун, 4,3%С, структура – Л (Рис.20 з);

·  - заэвтектические белые чугуны, 4,3%<%С<6,67%, структура – Л+ЦI (Рис.20 и).

Белые чугуны из-за высокой хрупкости в промышленности не применяют, их используют для производства сталей и серых чугунов.

5.4. Серые чугуны

Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).

В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде графита. По составу серый чугун – это тройной сплав Fe-C-Si. Кремний способствует графитизации чугуна. Графит обеспечивает чугуну хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные и демпфирующие свойства, снижает чувствительность к надрезам, но понижает прочность и пластичность. В состав серого чугуна входят 2,4…3,5%С, 1,2…3,5%Si и постоянные примеси – Mn, P и S. Марганец затрудняет графитизацию (отбеливает чугун), но повышает механические свойства, фосфор улучшает жидкотекучесть, но увеличивает хрупкость, сера – ухудшает литейные и механические свойства. Изменяя содержание углерода, кремния и скорость охлаждения отливки можно получить разную структуру серого чугуна. Она состоит из металлической основы и графитных включений.