Материаловедение и технология материалов (стр. 2 )

Если считать, что давление атмосферное, т. е. постоянное, то правило фаз будет выглядеть как

С=К+1 – Ф.

Например, сплав из двух компонентов (К=2) при затвердевании является двухфазной системой (Ф=2), тогда С=2+1 –2=1, т. е. можно ( в определенных пределах) изменять внешний фактор равновесия – температуру без изменения числа фаз.

Если в равновесии находится максимальное число фаз, то число степеней свободы равно нулю (С=0). Такое равновесие называется нонвариантным (безвариантным).

Например, в двухкомпонентном сплаве (К=2) 3 фазы находятся в состоянии равновесия (Ф=3) (это происходит при температуре фазового превращения), тогда С=2+1 – 3 =0.

В процессе кристаллизации изменяется концентрация фаз в сплаве (например, из жидкости выделяются кристаллы другой фазы, причем количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается).

В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава с содержанием С=1% при температуре t, сплав состоит из жидкости и аустенита (рис.4), т. е. находится в двухфазном состоянии.

Положения правила отрезков формулируется следующим образом.

·  Первое положение: чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. (Проекция точки а’’ показывает концентрацию аустенита, проекция точки а’ - концентрацию жидкости).

·  Второе положение: для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, опрделяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам фаз. Так, количество жидкости Qж рассчитывается:

Qж=,

а количество аустенита QA рассчитывается:

QA=.

Диаграмма Fe-C

Характеристика компонентов

Диаграмма состояния в графической форме показывает фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условия равновесия. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения и при длительном нагреве. Рассмотрение диаграммы состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева.

Железо – металл переходной группы, серебристо-серого цвета, пластичный, температура плавления 1539°С. На практике применяют техническое железо, содержащее 0,1% примесей (Mn, Si, S, O2, N2, P). В твердом состоянии чистое железо находится в двух модификациях: при «низких» температурах (до 910°С) железо имеет ОЦК решетку и обозначается α-Fe или Feα. Feα обладает сильно выраженными магнитными свойствами. При температуре 768°С железо теряет магнитные свойства. Парамагнитное α-Fe устойчиво до 910°С. Кристаллическая решетка при этом не изменяется, т. е. аллотропического превращения нет. Это немагнитное железо обозначается иногда β-Fe . При температуре 910°С происходит аллотропическое превращение: α-Fe с ОЦК решеткой переходит в γ-Fe с ГЦК решеткой. Свойства железа меняются, оно приобретает особую пластичность, высокую вязкость, увеличивается способность растворять углерод, но оно остается немагнитным. При температуре 1392°С происходит второе аллотропическое превращение : ГЦК решетка γ-Fe вновь переходит в ОЦК решетку. Эту высокотемпературную модификациюжелеза обычно называют δ-железом. При температуре 1539°С железо плавится.

Углерод является неметаллическим элементом с температурой плавления 1350°С. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде модификации алмаза.

Углерод растворим в железе (в жидком и твердом состоянии), а также может быть и в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

Характеристика фаз системы Fe-C

В системе «железо-углерод» различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит, аустенит, а также химическое соединение цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-Fe. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% при Т=727°С. С понижением температуры растворимость углерода в α-Fe быстро уменьшается и при Т=600°С составляет 0,008%. Высокотемпературный δ-феррит имеет предельную растворимость углерода 0,1%. Феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных светлых зерен (рис. 5.а).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-Fe . Аустенит имеет ГЦК решетку. Атомы углерода в решетке γ-Fe располагаются в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла. Максимальная растворимость углерода в γ-Fe равна 2,14% при Т=1147°С. С понижением температуры растворимость углерода падает. Аустенит обладает высокой пластичностью и малой чувствительностью к хрупкому разрушению. Микроструктура аустенита состоит из светлых зерен с характерными двойниками.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, с содержанием углерода 6,67% . Цементит – твердая и хрупкая фаза. Он обладает металлическим блеском, тепло - и электропроводимостью, слабыми магнитными свойствами. В структуре стали и чугуна цементит находится в виде игл, сетки по границам зерен и в форме отдельных массивных выделений. Различают: а) первичный цементит Ц1. Он выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3%; б) вторичный цементит Ц2 выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1147°С до 727°С; в) третичный цементит Ц3 выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,008% в интервале температур от 727°С до 0°С.

Графит (Г). Микроструктура графита как кристаллической разновидности углерода, обладающего гексагональной решеткой, под микроскопом имеет черный вид. Графит мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачный и имеет блеск.

Жидкость (Ж) – раствор углерода в железе при температуре выше Т плавления.

Характеристика структур (механических смесей)

Перлит (П) – эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Эта механическая смесь образуется при распаде аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 727°С. Эвтектоид состоит из мелких, различной величины пластинок цементита, расположенных в феррите (пластинчатый перлит) (рис. 5.г). Если цементит расположен в виде мелких зерен различной величины, то такая структура называется зернистым перлитом (рис. 5.д). Пластинки и зерна цементита своеобразно отражают свет: поверхность протравленного микрошлифа напоминает перламутр, что дало основание назвать эту микроструктуру перлитом.

Ледебурит (Л) – цементитная эвтектика (эвтектика в переводе с греческого означает легко, хорошо плавящийся). Ледебурит образуется из жидкой фазы определенного состава (4,3% С ). При температуре от 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз: аустенита и цементита; ниже 727°С – из перлита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянное и равно 4,3% . Ледебурит – твердая и хрупкая структура.

Значение точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод»

Каждая точка диаграммы состояния «железо-углерод» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре (см. рис.3).

ЛИНИЯ АВСД – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу).

ЛИНИЯ АНЕС – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

ЛИНИЯ АВ – показывает температуру начала выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. Состав жидкой фазы при понижении температуры будет меняться по линии АВ (ликвидус); состав твердой фазы по линии АН (солидус). При достижении температуры 1499°С состав жидкой фазы будет соответствовать точке В (0,51% С), а состав твердой фазы – феррита – точке Н (0,1% С). Жидкость и феррит указанных составов при этой температуре начнут реагировать между собой, в результате чего образуются новые кристаллы – кристаллы аустенита состава точки J. Превращение, при котором две фазы – жидкость и твердые кристаллы строго определенного состава – реагируют между собой и образуют третью фазу определенного состава, называется перитектическим превращением. Температура перитектического превращения постоянна. Следовательно, линия НВ показывает температуру перитектического превращения. Перитектическая реакция протекает следующим образом:

Ж. Ф.В+Ф. НАJ

ЛИНИИ ВС и СД показывают температуры начала первичной кристаллизации аустенита (ВС) и первичного цементита (ДС). При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет обогащаться углеродом и по мере понижения температуры изменяться по линии ВС (ликвидус). Состав твердой фазы аустенита будет обогащаться углеродом и изменяться по линии JЕ (солидус).

При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии ДС (ликвидус). Состав твердой фазы (цементита) остается постоянным, равным 6,67% С.