Вопросы для самопроверки

1. Что такое компонент, фаза, система, число степеней свободы?

2. Что такое твердые растворы, химические соединения, элек­тронные соединения, фазы Лавеса?

3. Как выглядит кривая охлаждения двухкомпонентного сплава на участке кристаллизации твердой фазы из жидкости в двухфазной области?

4. Что такое диаграмма состояния и принцип ее построения?

5. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной взаим­ной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

6. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимо­стью компонентов в твердом состоянии.

7. Диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превращением.

8. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением.

9. Диаграмма состояния сплавов с эвтектоидным превращением. 10. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых обра- зуют химические соединения.

Глава 4. Железо и его сплавы

Сплавы железа получили наиболее широкое применение в промыш­ленности среди конструкционных материалов и составляют в настоящее время около 93 % среди всех используемых материалов. Главные из них -сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа и углерода.

Имеются два типа диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-цементит, и стабильная, характеризующая превращения в системе железо-графит.

4.1. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Компоненты. Железо - металл серебристо-белого цвета с темпе­ратурой плавления 1539 °С, имеющий полиморфные модификации а и у. Выше температуры 1392 °С и ниже 911 °С существует железо

с ОЦК решеткой. Чтобы различить высокотемпературную модифика­цию железа с ОЦК решеткой от низкотемпературной, первую обычно называют 5-Fe, а вторую а-Fe. В области температур 1392...911 °С железо имеет ГЦК решетку, т. к. она энергетически более выгодна (рис. 4.1). Эта модификация называется y-Fe.

До температуры 768 °С железо обладает магнитными свойства­ми - является ферромагнетиком. При более высокой температуре оно теряет магнитные свойства и становится паромагнетиком. Данная критическая точка называется точкой Кюри и обозначается А₂.

При комнатной температуре а-Fe имеет ОЦК решетку с перио­дом 0,286 нм. При температуре 911 °С происходит перестройка решетки из ОЦК в ГЦК с периодом 0,364 нм. Эту критическую точку принято обозначать А₃. (При нагреве обозначают А_с3, при охлаждении А_г3.) Плотность a-Fe составляет 7,68 г/см , твердость 750...900 НВ, относи­тельное удлинение при разрыве 5 = 40...50 %, относительное сужение у = 85...90 %. Плотность y-Fe составляет 8,0...8,1 г/см³. Критиче­скую точку перехода у —5 при температуре 1392 °С называют А₄.

Углерод - неметаллический элемент с температурой сублимации 3500 °С имеет плотность 2,5 г/см . Углерод тоже полиморфен и может существовать в двух модификациях: в виде графита и алмаза. В обычных физических условиях он существует в виде стабильной модификации - графита. При определенных условиях может сущест­вовать в метастабильной модификации - алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом агрегатном со­стоянии и может вступать с ним в химическое взаимодействие, обра­зуя карбид железа.

Фазы. В системе железо-углерод возможно образование сле­дующих фаз: жидкий расплав, твердые растворы - феррит и аусте­нит, химическое соединение Fe₃C (цементит) и свободный углерод в виде графита.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой. Предельная растворимость углерода в низкотемпературной а-модификации железа при темпе­ратуре 727 °С составляет 0,02 %, а в высокотемпературной области в 5-Fe при температуре 1499 °С - 0,1 %, что связано с увеличением периода решетки и большей концентрацией вакансий. Столь низкая растворимость углерода в a-Fe объясняется малым размером меж­атомных пор в ОЦК решетке. Феррит - мягкая, пластичная состав­ляющая со следующими механическими свойствами при комнатной температуре: а_в = 300 МПа, а₀₂ = 120 МПа, 5 = 40 %, у = 70 %,

КСи = 2,5 МДж/м², твердость 800.. .1000 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в железе с гранецен-трированной кубической решеткой (у-Fe). Максимальная раствори­мость углерода в у-Fe составляет 2,14 % при температуре 1147 °С.

Аустенит пластичен, прочнее феррита, твердость его при нормальных физических условиях составляет 1600.2000 НВ.

Цементит (Ц) - химическое соединение Fe₃C (карбид железа), со сложной ромбической решеткой с плотной упаковкой атомов, со­держащее 6,67 % С. Цементит хрупок, малопластичен, имеет высокую твердость до 8000 НВ, ферромагнитен при температуре до 210 °С. Температура плавления цементита 1260 °С. Цементит является мето-стабильной фазой, при нагреве до определенных температур он может распадаться с образованием углерода в свободном состоянии в виде графита.

Графит (Г) - углерод в свободном состоянии с гексагональной слоистой кристаллической решеткой, с расстояниями между атомами в плоскости 0,142 нм, а между плоскостями - 0,340 нм. Графит элек-тропроводен, мягок и имеет низкую прочность.