§ 3, Построение диаграммы состояния

Обычно для построения диаграммы состояния пользуются термическим: методом, т. е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на кривой охлаждения, вызванным тепловым эффектом превращений, опре­деляют температуры превращения (критические точки).

Фиг.3 Кривые изображения сплавов свинец сурьма.

На фиг. 3 приведены кривые охлаждения сплавов свинец — сурьма при различном их составе. Горизонтальные площадки и точки перегиба соот­ветствуют критическим точкам.

Имея достаточное количество сплавов с различным соотношением ко­личества свинца и сурьмы и определив в каждом сплаве температуры

превращения (критические точки), можно построить диаграмму состояния. На фиг. 4 приведена диаграмма состояния для сплава свинец — сурьма, составленная на основе кривых охлаждения (фиг. 3). Геометрическое место точек начала кристаллизации /—/ образует линию АСВ (фиг. 4). Геометриче­ское место точек 2—2' (фиг. 3), определяю­щих полное затвердевание сплавов, выра­жено на фиг. 4 линией ДСЕ.

Оба компонента в жидком состоянии не­ ограниченно растворимы, а в твердом со стоянии обладают полной Фиг. 4. Диаграмма состояния сплава полной нерастворимостью свинец — сурьма, построенная по и не образуют химических соединений. На кривых охлаждения, приведенным линии АС диаграммы (фиг. 4), сплавы на фиг. 3. чинают (при охлаждении) выделять кристаллы РЬ, а на линии СВ. — кристаллы Sb. На линии ДСЕ из жидкого сплава, содержащего Sb и РЬ при концентра­ции С, выделяются одновременно кристаллы РЬ и Sb, образуя структуру механической смеси, называемую эвтектикой. В остальных точках этой линии происходит полное затвердевание сплава РЬ и Sb и образуется эвтектика, причём на линии ДС образуется структура, состоящая из кристаллов РЬ и эвтектической смеси, а на линии СЕ — структура кристаллов Sb и эвтек­тического сплава.

Сплавы металлов имеют различные виды диаграмм состояния.

При дальнейшем охлаждении некоторые твердые растворы претерпе­вают процессы кристаллизации в твердом состоянии (процессы вторичной кристаллизации). Это явление вызывается либо аллотропическими превра­щениями, претерпеваемыми одним из компонентов, либо понижением рас­творимости одного компонента в другом при охлаждении твердого рас­твора. В этом случае диаграмма состояния приобретает более сложный вид (фиг. 5).

§ 4. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеро­дистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие: аустенит, ледебурит, перлит, феррит и цементит, фосфидная эвтектика, графит.

Структуру, металла изучают на шлифованных, полированных и протра­вленных образцах при увеличении 100—500 раз и более.

Физико-химическая природа структурных составляющих железоуглеро­дистых сплавов различна.

Аустенит является твёрдым раствором углерода в железе (это было впервые доказано работами А. А. Байкова).

Предельная концентрация углерода в аустените составляет 2,0% при 1130°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается и стремится к 0,80%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пла­стичностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в железе. Углерода в железе растворяется до 0,02% при 723°. Феррит характери­зуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью. Механические свойства феррита сильно зависят от вели­чины зерна.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe₃C. Цементит содержит 6,67% угле­рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается к Н_в = = 800 кг/мм².

Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, являющуюся продуктом распада медленно охлаждаемого аустенита. Кон­центрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита Н_в = 180 -h 220. Сталь, содержащая 0,80% С, имеет чисто перлитную структуру.

Ледебуритом называют механическую смесь аустенита и цемен­тита, образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего |4,3% С. При 723° аустенит превращается в перлит. Это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цемен­титом, а смесь перлита с цементитом.

Фосфидная эвтектика может быть двойной (Fe + Fe₃P) и тройной (Fe + Fe₃P + Fe₈C). Фосфидная эвтектика легкоплавка и имеет повышенную твердость (Н_в = 400).

Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен.

Фиг. 56. Диаграмма состояния железо — цементит:

/ —жидкое состояние; // — жидкий сплав и кристаллы аустенита; /// —жидкий сплав и кристаллы первичного

цементита; /V- — кристаллы аустенита; V —кристаллы аустенита и вторичного цементита; VI—кристаллы

аустенита и вторичного цементита на фоне ледебурита; VII —кристаллы первичного цементита на фоне

ледебурита; VIII — кристаллы аустенита и феррита; IX— кристаллы ферриту и перлита; X — кристаллы

вторичного цементита и перлит; X/— перлит на фоне ледебурита; XII — первичный цементит на фоне

ледебурита