Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния (закон Курнакова)

Так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними существует определенная связь. Эта зависимость установлена Курнаковым. Некоторые типичные диаграммы состав - свойства изображены на рис. 5.9 под соответствующими диаграммами состояния. Из свойств, приведенных в диаграммах, рассмотрены твердость (кривые 1) и электропроводность (кривые 2).

1. При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов. В таком случае невозможно создать сплав, механические и электрические свойства которого оказались бы выше свойств чистых компонентов (рис. 5.9, а).

Рис. 5.9. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

2. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства могут значительно отличаться от свойств компонентов (рис. 5.9, б). Небольшое введение второго компонента в чистый металл значительно повышает твердость сплава (кривая 1), сильно снижает электропроводность (кривая 2). Поэтому для изготовления проводников используют наиболее чистые металлы, а для создания сплавов высокого электросопротивления — металлы с полной взаимной растворимостью. Кроме того, их вводят в сплав примерно в равном количестве (например, медь и никель).

3. При образовании ограниченных твердых растворов свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании химических соединений свойства изменяются скачком (рис 5.9, г). Концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

Железоуглеродистые сплавы

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуна) являются наиболее распространенными металлическими материалами, поэтому их изучению уделяют большое внимание.

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Компоненты и их свойства

Железо - серебристо-светлый металл, атомный номер 26, атомный вес 55,85.

Технически чистое железо содержит 0,10-0,15% всех примесей. Наиболее чистое железо, полученное в лабораторных условиях, содержало 99,9917 % Fе. Свойства железа зависят от степени его чистоты.

Для технически чистого железа:

- температура плавления Т_пл =1539°С (±5 град)

- плотность 7,85 г/см³

- невысокая твердость НВ≈80 и прочность σ_в≈250 МПа; σ_0,2 ≈120 МПа

- хорошая пластичность δ≈50 %; ψ≈80 %.

В твердом состоянии при нормальном давлении Fe может находиться в 2-х аллотропических состояниях: α-Fe (о.ц.к. решетка) и γ-Fe (г.ц.к. решетка).

Каждая модификация существует в определенном температурном интервале, что определяется уровнем свободной энергии (рис. 1).

Рис.1.

До 911°С меньшей свободной энергией обладает α-Fe, следовательно термодинамически устойчивой является α-фаза (о.ц.к. решетка с периодом при комнатной температуре а = 0,286 нм). Такое железо обозначают Fе_α.

При 911°С происходит превращение о.ц.к. решетки (α-фазы) в г.ц.к. решетку (γ-фазу), так как уровень свободной энергии γ-фазы в температурном интервале 911-1392°С ниже. Железо обозначают Fе_γ.

При 1392°С вновь происходит перестройка г.ц.к. решетки в о.ц.к., так как уровень св.энергии α-фазы снижается и она более устойчива при температурах выше 1392°С вплоть до температуры плавления. Высокотемпературное состояние α-железа обозначают Fе_{δ (дельта}) (или высокотемпературным Fе_α) и от обычного Fе_α оно почти не отличается.

При 768°С - изменение магнитных свойств железа (точка Кюри для железа). До 768 °С Fе_α ферромагнитно, выше этой температуры — парамагнитно. Изменение структуры не происходит. На кривой нагрева железа появляется перегиб.

Если к железу приложить высокое всестороннее давление (выше 135 ГПа), то появляется новая полиморфная модификация с гексагональной плотноупакованной (г. п. у.) решеткой, названная ε-фазой, которая существует в широком интервале температур, но при нормальном давлении ε-модификация чистого железа не существует. Однако, если железо легировать марганцем, рутением или иридием, то при атмосферном давлении в сплавах появляется ε-фаза, которая стабильна в области от абсолютного нуля до 200 °С.

Углерод – второй компонент системы - относится к неметаллам. В природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза (сложная кубическая решетка, условно Т_пл=5000⁰С), и в форме графита (простая гексагональная решетка, условно Т_пл=3500⁰С).

Графит мягкий, с низкой прочностью. При повышении температуры увеличивается временное сопротивление графита: при 20°С σ_в = 20 МПа; при 2500°С σ_в = 40 МПа, что выше прочности всех тугоплавких металлов при данной температуре.

При нагреве примерно до 3650⁰С начинается сублимация графита. Сублимация (возгонка) — превращение в газообразное состояние твердых (кристаллических) веществ, минуя жидкое состояние. Плотность графита 2,25 г/см³.

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Фазы системы Fе — Fе₃С.

При взаимодействии Fe и C могут образовываться фазы – жидкость, аустенит, феррит, цементит и механические смеси, состоящие из 2 и более фаз – ледебурит и перлит.

Жидкая фаза (Ж) - существует выше линии ликвидуса. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fе_α. Обозначается Fе_α(С).

Максимальная растворимость - 0,02 % С при 727°С.

Минимальная растворимость - 0,006 % С при комнатной температуре.

Поры в решетке Fеα гораздо меньше размеров атома углерода (диаметр атома углерода 0,154 нм), так что углерод, по-видимому, находится в дефектах о.ц.к. решетки.

Название фазы «феррит» связано с ее ферромагнитными свойствами.

Выше 1392°С высокотемпературный δ-феррит [Fе_δ(С)], с предельной растворимостью углерода 0,1 % при 1499 °С.

Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности σ_и=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=40%), магнитен до 768^o С.

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ. Его обозначают Fе_γ,(С). Углерод занимает пору в центре г. ц. к. ячейки.

Максимальная растворимость - 2,14% С при 1147°С.

Минимальная растворимость - 0,8% С при 727°С.

Аустенит - парамагнитен, пластичен (относительное удлинение δ=40…50%), имеет низкие значения временного сопротивления и твердости (170-250 НВ).

Элементы, растворяющиеся в аустените, могут значительно изменять его свойства, а также температурные границы его существования.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе₃С), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает.

Цементит имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Кристаллическая решетка состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита около 1250°С.

При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

Перлит (П) — это механическая смесь (эвтектоид), состоящая из мелких различных размеров пластинок ц и Ф, содержание углерода составляет 0,8%. Название перлит эвтектоид получил за блеск, который наблюдается на полированном и протравленном шлифе, напоминающий блеск перламутра. σ_в = 800 МПа, 160-200 НВ, δ=15%

Ледебурит (Л) - эвтектика системы Fе-Fе₃С - представляет механическую смесь цементита и аустенита и содержит 4,3 % С. Хрупок, 600-700 НВ