7. Диаграмма железо – углерод.

Свойства любого компонента, входящего в состав сплавов, самым существенным образом отличаются от свойств получае­мых сплавов. Для суждения о свойствах сплавов приходится изучать наивыгоднейшие структуры и условия их образования. Это делается путем построения диаграмм состояния сплавов, изображающих зависимость состояния сплавов той или иной системы от температуры и от состава сплава.

Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диа­граммами состояния или фазового равновесия, получаемыми на ос­нове термического анализа. Они характеризуют окончательное со­стояние сплавов, в которых все фазовые превращения произошли и полностью закончились. На рис. 1 приведена диаграмма состояния Fe-Fe₃С, которую условно представляют какFe-C, имея в виду пропорциональное содержание углерода и цементита в сплаве.

Рис.1 Диаграмма состояния Fe-Fe₃С.

В сплавах в зависимости от состояния различают следующие фа­зы: жидкие и твердые растворы, химические и промежуточные со­единения (фазы внедрения, электронные соединения и др.).

Фазой называется физически и химически однородная часть системы (ме­талла или сплава), имеющая одинаковый состав, строение, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы разделяющей поверхностью. Поэтому жидкий металл представляет собой однофазную систему, а смесь двух различных кристаллов или одновременное существование жидкого расплава и кристаллов соот­ветственно двух- и трехфазные системы. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.

Твердые растворыпредставляют собой фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую ре­шетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изме­няя ее размеры (периоды). Различают твердые растворы замещения и внедрения. В первом случае атомы растворенного компонента заме­щают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решет­ки; во втором они располагаются в межузлиях (пустотах) кристалли­ческой решетки растворителя, причем в тех из них, где имеется больше свободного пространства. Мик­роструктура твердого раствора мало отличается от структуры чистого металла. Все металлы могут в той или иной степени взаимно раство­ряться в твердом состоянии.

Химические соединения образуются между компонен­тами, значительно отличающимися электронным строением атомов и кристаллических решеток. В большинстве случаев они не подчиня­ются законам валентности и не имеют постоянного состава. Напри­мер, цементит. Соединения металлов имеют общее название интерметаллидов.

Фазы внедрения- карбиды, нитриды, бориды, гидриды об­разуются переходными металлами Fe, Мп, Сг, Мо и др. с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. элементами с малым атомным радиу­сом. Они имеют много общего в строении и свойствах. В отличие от твердых растворов внедрения, фазы внедрения имеют самостоятель­ную кристаллическую решетку. Они переменного состава и обладают высокой твердостью.

Электронные соединения образуются между однова­лентными элементами (Си, Ag, Au, Li, Na) или переходными метал­лами и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Sn, Cd, Al). Они имеют определенную электронную концентрацию (от­ношение числа валентных электронов к числу атомов) и отличную от компонентов кристаллическую решетку. Соединения этого типа ха­рактерны для сплавов меди-латуни (CuZn), оловянистых, алюминиевых и бериллиевых бронз.

На диаграмме видно, что кристалли­зация сплавов происходит в ин­тервале температур, а не при одной температуре, как у чистых металлов.

Железо имеет три аллотропических превращения (модифика­ции), температуры которых 1390° (точка N), 910° (точка G), 768° (точка М).

При температурах выше линии ABCD, называемой линией ликвидуса, сплав находится в жидком состоянии, а при тем­пературах, лежащих на линии AHJECF, называемой линией солидуса, заканчивается затвердевание всех сплавов. В про­межутке между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкого сплава и твердых кристаллов: аустенита (твер­дый раствор углерода в γ-Fe) или цементита (Fe₃С). При температурах, лежащих ниже линии солидуса, все сплавы находятся в твердом состоянии в ре­зультате закончившейся первичной кристаллизации. Процесс вторичной кристаллизации начинается при темпера­турах, соответствующих линии GSE.

На линии PSK, соответствующей температуре 723°, заканчи­ваются процессы вторичной кристаллизации. Ниже этой темпе­ратуры аустенит существовать не может и при медленном охлаж­дении превращается в перлит (эвтектоидную смесь с со­держанием 0,83% углерода). Сталь с содержанием 0,83% угле­рода называется эвтектоидной, менее — доэвтектоидной, а более - заэвтектоидной.

Структура доэвтектоидных сталей состоит из перлита (смесь феррита и цементита) и фер­рита (твер­дый раствор углерода в α-Fe), причем с повышением содержания углерода количество перлита увеличивается, а количество феррита уменьшается. При содержании углерода 0,83% структура стали однородная, и со­стоит полностью только из перлита. Структура заэвтектоидных сталей, содержащих углерода от 0,83% до 2%, состоит из пер­лита и вторичного цементита, причем количество цементита уве­личивается с ростом содержания углерода.

Чугун с содержа­нием 4,3% углерода имеет только одну фазу ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита) и называется эвтектическим чугуном. Чугун с содержанием углерода выше 4,3% и до 6,67% состоит из ледебурита + первич­ный цементит. Чугуны с содержанием углерода до 4,3% назы­ваются доэвтектическими, а свыше 4,3 % — заэвтектическими.