1.3.3 Диаграмма состояния с химическим соединением

Диаграммы состояния такого типа состоят как бы из двух более простых диаграмм, причем максимум на линии ликвидуса является точкой, разделяющей диаграмму.

а) Без областей твердых растворов

Если в системе А — В образуется химическое соединение, например AB (или A_mB_n), то на диаграмме состояния возникает сингулярная точка D (от лат. singularis — отдельный, особый), разделяющая диаграмму на две эвтектические диаграммы с эв­тектическими точками E₁ и E₂ (рисунок 4, а).

Заслуживает внимания острота пика максимума. Если пик острый, плавление яв­ляется конгруэнтным, т.е. без разложения. Если пик пологий — плавление инконгруэнтное, т.е. с разложением. На рисунке 4,б приведен пример диаграммы состояния с химическим соединением Mg₂Sn. Наличие сингулярной точки подтверждается не только максимумом на кривой плавления, но и минимумом на кривой электропроводности (см. рисунок 7).

а) - общий вид диаграммы с сингулярной точкой;

б) - диаграмма состояния системы Mg-Sn.

б) С областями твердых растворов

Если химическое соединение, на котором основана фаза переменного со­става, лежит в пределах ее области гомогенности, то эта фаза называется далътонидом (рисунок 5, а), а если за пределами области гомогенности, то бертоллидом (рисунок 5, б).

Рисунок 5-Диаграмма состояния с химическими соединениями и областями твердых растворов:

а) - с дальтонидной фазой;

б) - с бертоллидной фазой.

1.4 Диаграмма фазового равновесия «железо-цементит»

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — составляют до 90% металлофонда в экономике России, являясь основными конструкционными материа­лами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при мед­ленном охлаждении до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграммой состояния «железо — цементит», что предопределило ее широкое использование для выбора оптимальных режимов производства и термообработки железоуглеро­дистых сплавов на протяжении почти полутора веков (Д.К. Чернов, 1868).

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод.

Железо — металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модифика­ции: α-железо, существующее при температуре ниже 910°С; γ-железо, существующее в интервале температур 910—1392°С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка α-железа объемно-центрированная кубическая, периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768⁰C железо ферромагнитно. Темпе­ратуру 768°С, соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояние в парамагнитное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая.

Углерод — неметаллический элемент, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500°С. Углерод растворим в железе в жидком и твердом: состоянии, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах — в виде графита.

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми рас­творами на основе железа в виде цементита (мета-стабильное равновесие) или гра­фита (стабильное равновесие) в зависимости от внешних условий. Большее практиче­ское значение имеет метастабильная диаграмма состояния (рисунок 6).

Рисунок 6 – Диаграмма состояния «железо – углерод»

С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Она является основой для выбора оптимальных ре­жимов термообработки железоуглеродистых сплавов.

Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные тех­нологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование структуры.

В системе Fe — Fe₃C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы — феррит и аустенит, а также цементит (в том числе первичный, вторич­ный и третичный).

К структурным составляющим в системе Fe — Fe₃C, наряду с перечислен­ными выше фазами, относятся ледебурит и перлит.