9. Кристаллизация и диаграммы состояния сплавов

Кристаллизация

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные полиморфными превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры. Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизациии происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграммы состояния

Диаграммами состояния называется графическое изображение того или иного сплава в зависимости от его концентрации и температуры. Диаграммы состояния называются ещё и диаграммами равновесия (построены в условия термодинамического равновесия - медленное охлаждение из жидкого состояния), т.к. показывают равновесное, устойчивое состояние сплава.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление, и состояние сплава также изменяется, то это находит графическое отображение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии.

Диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В соответствии с этим и изменения в состоянии, которые отражены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т. е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения.

Однако, превращения в отсутствие переохлаждения или перенагрева, в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Железоуглеродистые сплавы диаграмма железо - углерод

Диаграмма состояний железо-углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Сталь –

Чугун –

Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - Fe₃C. Рассмотрим только часть системы от железа до химического соединения (Fe₃C- цементит), т.к. на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%.

Железо

Железо (как и любой другой металл) никогда не бывает абсолютно чистым. В настоящее время можно получить железо высокой чистоты, содержащее в сумме около 0,01% (и даже меньше) примесей, но чаще используют техническое железо (его иногда называют железо Армко), производимое сейчас в больших количествах в мартеновских печах. Техническое железо содержит примерно 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2% примесей, состоящих более чем из десятка элементов. В нем углерод (около 0,02%) и медь (около 0,1%), а остальные элементы - в тысячных и десятитысячных долях процента.

Температура плавления железа 1539°С (±5°С).

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях- α (о. ц. к.) и γ (г. ц. к.).

α-железо существует в двух интервалах температур ниже 911 С и от 1392 до 1539 °С.

При 768 °С железо испытывает магнитное превращение; выше 768 °С железо становится немагнитным.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала (менее 0,02%) и в сто раз больше (до 2%) в γ-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом, а в γ-железе – аустенитом (от фамилии ученого англ. Р. Аустен).