Материаловедение / лекции кенько

Рис. 3.7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

Вследствие полиморфных превращений компонентов А и В при понижении температуры ниже линий cf и df начинается распад γ-фазы с образованием α-фазы для сплавов, расположенных левее

точки f, и β-фазы, для сплавов, находящихся правее точки f. Для сплавов состава левее точки e на линии ce процесс распада γ-фазы закан-

чивается и образуется однофазный α-сплав. Аналогично, для сплавов правее точки k ниже линии dk образуется однофазный β-сплав.

Состав α-фазы при кристаллизации изменяется в соответствии с линией ce, β-фазы – с линией dk, а γ-фазы – с линией cfd. В точке f возникает нонвариантное состояние, т. к. при распаде γ-фазы одновременно кристаллизуются две фазы α и β, происходит эвтектоид-

ное превращение

γ f αe +βk .

Механизм эвтектоидного превращения аналогичен эвтектическому, но исходной фазой при этом будет твердый раствор, а не жидкая фаза, т. е. превращение происходит уже в твердом агрегатном состоянии. Так как при этом с = 0, то процесс происходит при постоянной температуре. Количественное соотношение фаз при эвтектоидном превращении определяется отношением соответствующих отрезков на линии efk:

α/ β = fk / ef .

71

Сплавы, соответствующие составу точки f, называются эвтектоидными, а механическая смесь полученных кристаллов α+β называет-

ся эвтектоидом (Эв). Соответственно сплавы состава левее точки f до точки е – доэвтектоидные, правее точки f до точки k – заэвтектоидные. Так как доэвтектоидные сплавы состава между точками e и f при температуре эвтектоидных превращений имеют избыток α-фазы, вы-

делившейся при охлаждении до линии efk (α/ β > fk / ef ), то при температуре tэ из γ-фазы состава точки f образуется эвтектоид, однако в сплаве еще будут присутствовать избыточные α-кристаллы. Анало-

гично для сплавов состава между точками f и k характерен избыток β-фазы и после эвтектоидных превращений эти сплавы кроме эвтек-

тоида содержат дополнительно ранее выпавшие кристаллы β-фазы.

Линии el и km на диаграмме показывают, что с понижением температуры уменьшается растворимость компонентов друг в друге. В связи с этим излишки компонентов вытесняются и на их основе происходит образование соответствующих вторичных кристаллов βII и αII .

3.7.Связь между свойствами сплавов

идиаграммой состояния

Свойства сплавов в значительной степени определяются фазовым составом, о котором можно судить по диаграммам состояния. Впервые на связь между видом диаграммы и свойствами сплавов обратил внимание В. Н. Курнаков. Им же заложены основы физикохимического анализа сплавов.

Для основных видов диаграмм существует зависимость, приведенная на рис. 3.8.

1.При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем многие из них могут существенно превосходить свойства исходных компонентов (в первую очередь электросопротивление). Поэтому распад твердых растворов на две и более фазы приводит к увеличению электропроводности.

2.При образовании механических смесей свойства сплавов изменяются по линейному закону (аддитивно). Значения свойств находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

3.В сплавах с ограниченной растворимостью при концентрациях, cоответствующих однофазному твердому раствору, изменяются свойства по криволинейному закону, а в двухфазной области – по ли-

72

нейному. Крайние точки на прямой соответствуют свойствам предельно насыщенных твердых растворов.

4. При образовании химических соединений на диаграмме кон- центрация–свойства при соответствующей концентрации наблюдается перелом, т. к. химические соединения обладают индивидуальными свойствами, отличными от свойств исходных составляющих.

Рис. 3.8. Связь между диаграммами состояния, физическими и механическими свойствами сплавов

Советский металлург А. А. Бочвар установил, что существует определенная связь между видом диаграммы и технологическими свойствами. Сплавы, имеющие структуру однофазных твердых растворов, имеют низкие литейные свойства (низкая жидкотекучесть, обладают склонностью к образованию рассеянной пористости и трещин), а также трудно обрабатываются резанием. Однако эти сплавы хорошо обрабатываются методами пластического деформирования (ковка, штамповка, прокатка и т. д.). Пластичность сплавов сильно снижается при появлении в структуре эвтектики. Эвтектические сплавы обладают наилучшей жидкотекучестью, усадка у них проявляется в виде концентрированной раковины.

73

Вопросы для самопроверки

1.Чтотакоекомпонент, фаза, система, числостепенейсвободы?

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.Диаграммасостояния сплавовсэвтектическимпревращением.

8.Диаграммасостояниясплавовсперитектическимпревращением.

9.Диаграммасостояниясплавовсэвтектоиднымпревращением.

10.Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют 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 – стальичугун, представляющиесобойсплавыжелезаиуглерода.

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

всистеме железо–графит.

4.1.Компоненты и фазы в сплавах железа

суглеродом

Компоненты. Железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1539 °С, имеющий полиморфные модификации α и γ. 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 δ-Fe, а вторую α-Fe. В области температур 1392…911 °С железо имеет ГЦК решетку, т. к. она энергетически более выгодна (рис. 4.1). Эта модификация называется γ-Fe.

74

γ - Fe

911 ºС

α - Fe

γ - Fe

δ- Fe

ОЦК ГЦК ОЦК

Рис. 4.1. Схема зависимости величины свбодной энергии от температуры для α-Fe и γ -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 α-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 Ас3, при охлаждении Аr3.) Плотность α-Fe составляет 7,68 г/см3, твердость 750…900 НВ, относительное удлинение при разрыве δ = 40…50 %, относительное сужение ψ = 85…90 %. Плотность γ-Fe составляет 8,0…8,1 г/см3. Критиче-

скую точку перехода γ→δ при температуре 1392 °С называют А4.

Углерод – неметаллический элемент с температурой сублимации 3500 °С имеет плотность 2,5 г/см3. 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 аусте-

75

нит, химическое соединение Fe3C (цементит) и свободный углерод в виде графита.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в железе с объемноцентрированной кубической решеткой. Предельная растворимость углерода в низкотемпературной α-модификации железа при темпе-

ратуре 727 °С составляет 0,02 %, а в высокотемпературной области в δ-Fe при температуре 1499 ºС – 0,1 %, что связано с увеличением периода решетки и большей концентрацией вакансий. Столь низкая растворимость углерода в α-Fe объясняется малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Феррит – мягкая, пластичная составляющая со следующими механическими свойствами при комнатной температуре: σв = 300 МПа, σ0,2 = 120 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %,

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

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в железе с гранецентрированной кубической решеткой (γ-Fe). Максимальная раствори-

мость углерода в γ-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 метостабильной 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 электропроводен, мягок и имеет низкую прочность.

4.2. Диаграмма состояния железо–цементит

Диаграмма состояния Fe–Fe3C (рис. 4.2) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до цементита, содержащего 6,67 % С. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количество цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 4.1.

76

Таблица 4.1

Характерные точки диаграммы состояния железо–цементит

Рис. 4.2. Диаграмма состояния Fe–Fe3C

77

Точки А и D характеризуют температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G – температуры полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемпературной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой.

Фазовые превращения в системе Fe–Fe3C происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом агрегатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях между линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация в твердом агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и изменения растворимости углерода в железе с изменением температуры.

На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава соответственно на участке АВ – феррита (δФ) , на участке ВС – аустени-

та (А) и на участке СD – цементита первичного (ЦI). На линиях АН и JЕ завершается кристаллизация δФ и аустенита из жидкой фазы.

Для диаграммы Fe–Fe3C характерны три изотермических превращения:

– перитектическое на линии HJВ при температуре 1499 °С

ФН + ЖB АJ;

– эвтектическое на линии ECF при температуре 1147 °С

ЖC АE + ЦF;

– эвтектоидное на линии PSK при температуре 727 °С АS ФP + ЦK.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита вторичного – перлитом (П). Ледебурит и перлит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и обладает высокими механическими свойствами:

σв = 800…900 МПа, σ0,2 = 450 МПа, δ ≤16%, твердость 1800…2200 НВ.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. Сотовая структура образуется при медленном охлаждении и представляет собой пластины цементита, переплетенные кристаллами аустенита. Большое количество цементита, присутствующего в ледебурите, обеспечивает его большую твердость, порядка 6000 НВ, и хрупкость, что затрудняет механическую обработку сплавов с ледебуритной структурой.

78

Рассмотрим фазовые превращения, происходящие в сплавах, претерпевающих перитектическое превращение (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Часть диаграммы состояния Fe–Fe3C для сталей, испытывающих перитектическое превращение

Сплав I, содержащий менее 0,1 % С, не претерпевает перитектических превращений. Образование феррита, начинающееся в точке 1,

вточке 2 заканчивается и образуется однофазная ферритная структура. Однако вследствие полиморфизма железа и перестройки ОЦК решетки в ГЦК на линии HN начинается превращение феррита в аустенит и эта перестройка заканчивается на линии NJ, ниже которой образуется однофазная область аустенита. При кристаллизации сплава III, содержащего 0,16 % С, на линии АВ начинается кристаллизация феррита из жидкой фазы и при температуре 1499 °С жидкая фаза будет иметь состав, соответствующий точке В, а феррит – точке Н. Количество выделившегося феррита и оставшегося расплава находится

всоотношении ФЖ = JB HJ . В точке J при этих условиях происхо-

дит перитектическое превращение ФН + ЖB АJ.

При кристаллизации сплава II на линии АВ начинается кристаллизация феррита и при понижении температуры до линии HJB в точке 6 при температуре 1499 °С составы жидкой фазы и феррита соответствуют условиям для перитектического превращения. Однако количество феррита выделилось больше, чем необходимо для этого превращения. В связи с этим при перитектическом превращении образуется аустенит, а «излишний» феррит останется в системе и между линиями HJ и NJ будет двухфазная область (А + Ф).

79

Аналогично при кристаллизации сплава IV при температуре 1499 °С будет избыток жидкой фазы. При перитектическом превращении образуется аустенит, а избыток жидкой фазы остается в системе. В области ниже линий JВ существует двухфазное состояние (А + Ж).

На линиях NJ и JE заканчивается образование аустенита, свойство которого зависит от количества углерода, содержащегося в нем. Растворимость углерода в γ-Fe зависит от температуры. Максималь-

ная растворимость наблюдается при температуре 1147 °С и составляет 2,14 %. При охлаждении ниже температуры 1147 °С растворимость углерода в γ-Fe уменьшается. Избыточный углерод вытесняется из

решетки железа и, взаимодействуя с железом, образует цементит, который называется вторичным, т. к. процесс происходит уже в твердом агрегатном состоянии. Образование вторичного цементита происходит на поверхности аустенитных зерен, и он обволакивает эти зерна, образуя цементитную сетку.

В связи с полиморфным превращением при температуре 911 °С γ-Fe → α-Fe на линии GS происходит образование феррита. Для

сплавов, содержащих менее 0,02 % С, процесс образования феррита из аустенита заканчивается на линии GP.

Рассмотрим превращения, протекающие в сплавах, испытывающих эвтектоидное превращение. При охлаждении сплавов состава между точками P и S на линии GS начинается образование феррита из аустенита. Химический состав аустенита изменяется по линии GS и при температуре 727 °С в аустените содержится углерода 0,8 %, что соответствует точке S. При охлаждении сплавов между точками S и E на линии SE начинается образование цементита вторичного. Состав аустенита изменяется по линии SE и при температуре 727 °С соответствует точке S. В точке S равновероятно образование из аустенита одновременно как феррита, так и цементита вторичного. Превращение, при котором из одной твердой фазы одновременно образуются две новые твердые фазы, называется эвтектоидным, а механическая смесь этих двух фаз – эвтектоидом.

В точке S при температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение АS ФP + ЦK. При этом количество феррита и цементита

находится в соотношении ФЦ = SK PS . Сплавы, соответствующие

составу точки S, называются эвтектоидными, составу левее точки S и до точки P – доэвтектоидными и правее точки S до точки E – заэв-

тектоидными.

80