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 растворимостьюнаибольшая твердость и прочность достигается при примерно равном соотношении компонентов (Рис. 4.3а). Свойствасмесей (эвтектик, эвтектоидов) изменяются по линейной зависимости (Рис. 4.3б). В сплавахс химическими соединениямипри 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 сталиичугуны– сплавы системы железо-углерод

5.1. Компоненты и фазы в системе Fe-c

Железо: Тпл=1539ºС, две модификации FeαcОЦК-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 Д.И. Менделеева, 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, Т_пл=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. ДиаграммаFe-Fe₃Cсоответствует 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. Кристаллизацияначинается полинии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD– кристаллы первичного цементита Ц_I. Кристаллизация заканчивается налинии солидус AJECF.

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

Ж_4,3%С→А_2,14%С+ Ц_6,67%С. –ледебурит

Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называютдоэвтектическими, 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 соответствуетлинии GS (А₃), конец превращения –линиям GP и PS.

4. Распад твёрдых растворов: аустенита с выделением цементита вторичного Ц_II идет полинии SE- линии переменной растворимости углерода в-железе (А_cm) и феррита с выделением цементита третичного Ц_IIIполинии PQ- линии переменной растворимости углерода в-железе.

5. Эвтектоидное превращениепротекает при 727°Cполинии PSK (A₁). Аустенит с содержанием углерода 0,8%С превращается в эвтектоид перлит

А_0,8%С Ф_0,02%С+Ц_6,67%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 –доэвтектоидныесо 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.