2.2.1 Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера­туры. Она строится экспериментально по кривым охлаж­дения сплавов (рисунок 2.3). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температу­ре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеются две критические точки. Критичес­кими точками называются температуры начала и конца фазовых превращений. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начинается кристаллизация. В нижней критической точке, которая называется точкой солидус (t_с), кристаллизация завершается.

t, ºC

t, ºC

τ, час

τ, час

Рисунок 2.3 – Кривые охлаждения сплавов: а – механической смеси; б – твёрдого сплава

Диаграмму состояния строят в координатах темпера­тура – концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получив­шихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния, на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается, линией солидус.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов даёт представление о строении основных конструкцион­ных сплавов – сталей и чугунов.

Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Железо – пластичный металл серебристо-белого цвета. Твёрдость и прочность железа невысоки (НВ 80, σ_в= 250 МПа) при значительной пластичности (δ = 50 %). Температура плавления – 1539 °С, плотность – 7,83 г/см³. Железо имеет полиморф­ные модификации.

Углерод встречается в природе в виде двух модификаций – алмаза и графита. Графит имеет сложную гекса­гональную кристаллическую решётку. Он является мяг­ким непрочным материалом, но с увеличением темпе­ратуры прочность графита значительно возрастает. Температура плавления графита 3500 °С. С углеродом железо образует химическое соединение и твёрдые ра­створы внедрения.

Цементит – это химическое соединение железа с уг­леродом (карбид железа) Fe₃C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую крис­таллическую решётку. Характеризуется очень высокой твёрдостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

Ферритом называется твёрдый раствор углерода в α-железе. Содержание углерода в феррите очень невели­ко – максимальное 0,02 % при температуре 727 °С. При комнатной температуре в феррите содержится не более 0,006 % углерода. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами же­леза (низкая твёрдость и высокая пластичность). Твёр­дый раствор углерода в δ-железе, существующий при тем­пературе 1392-1539 ºС, также называют ферритом или высокотемпературным ферритом (δ-ферритом). Он ха­рактеризуется максимальной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 °С.

Аустенит – это твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените состав­ляет 2,14 % (при температуре 1147 °С). Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкими прочно­стью и твёрдостью (НВ 220).

Перлит – это механическая смесь феррита с цементи­том. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727 °С. Перлит является эвтектоидом.

Эвтектоид – это механическая смесь двух фаз, образу­ющаяся из твёрдого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика). Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементи­та. Возможно и зернистое строение перлита, когда он со­стоит из зёрен цементита, окруженных ферритом. Зерни­стый перлит значительно пластичнее пластинчатого, имеет меньшую твёрдость.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, обра­зуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит, входящий в состав ледебу­рита, превращается в перлит, и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь пер­лита с цементитом. Ледебурит обладает высокой твёрдо­стью (НВ 600-700) и хрупкостью.

Фаза цементита имеет пять структурных форм: це­ментит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; це­ментит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

Диаграмма железо-цементит. Практическое значение имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67 % (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диа­грамму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т.е. фактически рассматривается ди­аграмма железо-цементит (Fe-Fe₃C). На рисунке 2.4 приведе­на диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67 %.

Левая вертикальная ось соответ­ствует 100 % содержанию железа. На ней отложены тем­пература плавления железа и температуры его полимор­фных превращений. Правая вертикальная ось (6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято со­гласно международному стандарту и изменению не под­лежит.

Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. На ней начинается кристаллизация: на участке АВ – феррита, ВС – аустенита и CD – первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содер­жания углерода делятся на стали (до 2,14 % С) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % С).

Главная роль в диаграмме состояния железоуглероди­стых сплавов отводится её левой части – сталям, так как на превращениях, происходящих в стали, основана тер­мическая обработка. Рассмотрим эти превращения. В результате кристаллизации образуется аустенит; при понижении температуры аустенит претерпевает превра­щения, связанные с изменением кристаллической решёт­ки, – с переходом γ-железа в α-железо, и со снижением растворимости углерода с понижением температуры.

В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8 %, при температуре 727 °С аустенит полностью распа­дается, образуется перлит. Сталь, содержащую 0,8 % уг­лерода, называют эвтектоидной. Её структура состоит из одного перлита. Сталь, содержащую менее 0,8 % углерода, называют доэвтектоидной, а сталь с содер­жанием более 0,8 % углерода – заэвтектоидной. Переход чистого железа из модификации γ-железа в α-железо про­исходит при температуре 911 °С.

Сплав, содержащий до 0,02 % углерода, не имеет пос­ле завершения всех превращений в структуре перлита. Такой сплав часто называют техническим железом. Струк­тура технического железа представляет собой зёрна фер­рита или феррит с небольшим количеством третичного цементита.

Линия GSE диаграммы называется линией верхних критических точек или линией начала превращения аус­тенита (при охлаждении). Линия GS обозначается А₃ (А_с3 – при нагревании, А_r3 – при охлаждении). Линия SE обозначается A_cml. Линия PSK диаграммы (температура 727 °С) называется линией нижних критических точек, или линией перлитного превращения (при охлаждении). Она обозначается А₁ (А_с1 – при нагревании, А_r1) – при охлаждении).

Рассмотрим теперь превращения в чугунах. Точка С (4,3 % углерода) представляет собой эвтектическую точ­ку. Она соответствует температуре 1147 °С, при которой кристаллизуется сплав указанного содержания углерода, при этом одновременно выделяются из жидкого сплава кристаллы аустенита и первичного цементита, образуя эвтектическую смесь – ледебурит. Его структура пред­ставляет собой равномерную смесь кристаллов аустени­та с цементитом.

Чугун, содержащий 4,3 % углерода, называется эвтек­тическим. Чугуны, содержащие менее 4,3 % углерода, называют доэвтектическими. Их кристаллизация начи­нается при температурах, лежащих на линии ВС, выде­лением аустенита, и заканчивается при температурах, лежащих на линии ЕС, образованием ледебурита. При дальнейшем понижении температуры растворимость углерода уменьшается и из аустенита начинает выделять­ся вторичный цементит. Когда углерода в аустените ос­танется 0,8 %, при температуре 727 °С аустенит переходит в перлит.

Чугуны, содержащие более 4,3 % углерода, называют заэвтектическими. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии CD. При этом выде­ляется первичный цементит. Кристаллизация закан­чивается при температуре 1147 °С по линии CF образо­ванием ледебурита. Получившаяся структура остается неизменной. В составе ледебуритной эвтектики при тем­пературе 727 °С аустенит переходит в перлит. Структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов по­зволяет установить температурные режимы кристалли­зации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки), режимы термооб­работки и т. д.

При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод будет выделять­ся в виде графита, а не цементита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода в виде графита называ­ются серыми чугунами.