2.2.8. Связь между диаграммами состояний и свойствами двухкомпонентных сплавов

Рассмотренные диаграммы состояний дают характеристику строения сплавов различного состава при различных температурах. Вместе с тем состав и строение сплавов оказывают влияние на их свойства. Исследованиям такой связи посвящены работы академика Н.С. Курнакова – одного из основоположников физико-химического анализа сплавов.

На рис. 38 приведены зависимости свойств (в частности твердости, НВ) от состава сплава.

Рис. 38. Зависимость твердости сплавов от вида диаграммы состояний

В сплавах, имеющих структуру механических смесей (рис. 38, а), кристаллы компонентов А и В полностью сохраняют свои свойства. Поэтому свойства всех сплавов будут изменяться по прямолинейному закону от компонента А до компонента В.

Сплавы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии изменяют свои свойства по криволинейному закону в зависимости от химического состава (см. рис. 38, б). Кривая на диаграмме «состав – свойства», как правило, имеет максимум. Например, твердость у твердых растворов может быть выше, чем у чистых компонентов.

Если сплавы образуют ограниченные твердые растворы (см. рис. 38, в), то свойства в области однофазных твердых растворов изменяются по криволинейному закону, а в области механических смесей – по прямолинейному.

При образовании химического соединения А_nВ_m (см. рис. 38, г), в котором не растворяются ни компонент А ни компонент В, свойства изменяются по ломаной линии с максимальным значением у химического соединения.

Зная характер взаимодействия между типом диаграммы и свойствами, можно определять состав сплава, который формирует заранее заданные свойства.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику основных видов сплавов.

2. Что называется диаграммой состояния сплавов? Основные виды диаграмм двухкомпонентных сплавов.

3. Для чего необходимо правило отрезков? Какова связь между диаграммами состояний и свойствами двухкомпонентных сплавов?

4. В чем состоит отличие твердых растворов внедрения и твердых растворов замещения?

5. Какова структура сплавов в виде механических смесей?

6. Что называется линией ликвидус?

7. Что называется линией солидус?

8. На основании каких данных строятся диаграммы состояния сплавов?

9. Какова структура эвтектического сплава?

10. Что называется вторичной кристаллизацией?

3. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

3.1. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C)

3.1.1. Общие положения

Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами практически всех стран мира. Масштабы их производства в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень эволюции государства и служат материальной основой развития различных отраслей техники.

В общем случае железоуглеродистые сплавы подразделяются на две основные группы: стали и чугуны.

Получение сплавов с заданными свойствами базируется, прежде всего на анализе системы «состав–структура–свойства» и ее изменении при воздействии внешних условий таких, как температура, давление, механические нагрузки и др. Впервые зависимость «состав–свойства» в виде диаграммы построил в 1819 г. Гей-Люссак, изучая растворимость солей в воде. С тех пор получены тысячи диаграмм «состав–свойства» с основной зависимостью температуры плавления (кристаллизации) от химического состава сплавов. Однако наиболее значимые для практики диаграммы состояний были разработаны гораздо позже.

Быстро расширяющееся производство чугунов и сталей во второй половине XIX в. поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не только с проблемой получения металлов, но и с необходимостью обеспечить максимально высокое их качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие в литой стали при ее механической и тепловой (термической) обработке. Начало было положено трудами русских металлургов (П.П. Аносова, А.С. Лаврова, Н.В. Калакуцкого и др.) и ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чернов, который явился основоположником новой отрасли науки – металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д.К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали. Он графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании (рис. 39). На прямой линии (термометрической шкале) он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались изменения. Точки характеризуют превращения, происходящие в стали при определенных температурах во время нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру, а соответственно и свойства металла.

Рис. 39. Точки Д.К. Чернова

Открытые Д.К. Черновым точки дали возможность Х. Розенбому в 1900 г. разработать диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов (диаграмма «железо–углерод»). Эта классическая диаграмма (уточненная немецким ученым П. Геренсом) и по сей день имеет решающее значение при получении и обработке (особенно термической) сталей и чугунов.

Без этой диаграммы практически невозможно разобраться в тех процессах, которые происходят в железоуглеродистых сплавах при различных видах теплового воздействия. На ее основе устанавливаются наиболее рациональные режимы литья деталей, обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки), сварки и наплавки с последующей термической обработкой изделий.

Углерод в сплавах с железом образует карбид железа Fe₃C (цементит). Однако при определенных условиях (очень медленное охлаждение, длительная выдержка при высоких температурах, наличие специальных модификаторов и др.) он может выделяться в свободном состоянии в виде графита. Образование графита возможно также при распаде карбида железа. Таким образом, железоуглеродистые сплавы могут находиться в двух системах: система Fe–Fe₃C (железо–цементит) и система Fe–C (железо–углерод). В первой системе компонентами сплавов являются железо и карбид железа, а во второй – железо и графит.

Распад цементита, сопровождающийся выделением свободного углерода в виде графита, является процессом необратимым, так как при последующем нагреве цементит вновь не образуется. Следовательно, система Fe–Fe₃C, в которой возможен необратимый распад цементита, не является полностью равновесной. Такая система называется метастабильной. Система Fe–C, в которой нет необратимых процессов, называется равновесной или стабильной. Однако во многих железоуглеродистых сплавах карбид железа очень устойчив не только в обычных условиях эксплуатации, но и при весьма значительном и длительном нагреве. Поэтому практически систему Fe–Fe₃C в большинстве случаев можно считать условно равновесной. Такая диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов, т. е. таких сплавов, в которых нет свободного углерода.

При изучении структур железоуглеродистых сплавов, в которых углерод находится в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны), используется диаграмма Fe–C.

Рассмотрим диаграмму Fe–Fe₃C (железо–цементит) (рис. 40). Особенностью такой диаграммы является то, что концентрация углерода взята только до 6,67 %, что соответствует его содержанию в цементите (Fe₃C). Применяемые в практике железоуглеродистые сплавы содержат углерода не более 4…5 %, что меньше 6,67 %. Поэтому рассматривать диаграмму при содержании углерода более 6,67 % не имеет смысла.

Сплавы, содержащие углерода до 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами.

Рис. 40. Диаграмма состояния железо – цементит (Fe–Fe₃C)