3.3. Основные типы диаграмм состояния
Для характеристики изменений структуры сплавов в зависимости от состава и температуры строят диаграммы состояний. Они представляют собой графическое изображение равновесного или неравновесного состояния сплавов и строят их в координатах температура - состав . Равновесное состояние сплавов достигается при малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Неравновесное состояние характеризуется ограниченной устойчивостью и способностью перехода в другие устойчивые состояния.
Диаграмма состояния позволяет научно обосновать выбор режимов горячей и термической обработки сплавов. Строят их на основе кривых охлаждения, получаемых лабораторным путем.
Температуры начала и конца фазовых превращений, определяются по кривым охлаждения и называются критическими точками. Существуют четыре типа диаграмм состояний.
К первому типу диаграмм относятся диаграммы, образующиеся при затвердевании механических смесей, т.е. сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химического соединения (Сюда относятся системы свинец – олово, свинец – сурьма и др.).
Диаграммы состояния второго типа характерны для сплавов, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью, как в жидком, так и в твердом состоянии и не образуют химических соединений (К ним относятся системы медь – никель, железо - никель и др.).
Диаграмма состояния сплавов третьего типа характеризует сплавы, у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом, образуют при кристаллизации эвтектику. Сюда относятся системы алюминий-медь, железо-углерод, магний-алюминий и др.
Диаграммы состояний четвертого типа характеризуют сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердой и образуют устойчивое химическое соединение (например сплав магний-медь).
Наибольший интерес представляет диаграмма железо-углерод, так как именно она дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (Рис.3.2.).
Диаграмма ограничена сплавами, содержащими 6,67% углерода – более высокоуглеродистые сплавы железа не имеют практического применения. Кроме того, при этой концентрации образуется химическое соединение карбид железа (Fe3C), который и является вторым компонентом данной диаграммы.
Процессы первичной кристаллизации – затвердевание жидкого сплава – характеризуется кривыми ACD и AECF. Линия ACD называется линией ликвидуса. Выше этой линии вещество находится в жидком состоянии. На кривой ACD -линии ликвидуса- отмечены температуры начала затвердевания железоуглеродистых сплавов. Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа, точка D — цементита.
Кривая AECF называется линией солидуса и соответствует температурам, при которых заканчиваются процессы первичной кристаллизации. Ниже этой кривой сплав находится в виде твердого раствора.
В точке С происходит одновременная кристаллизация обеих фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре.
Сплав соответствующий точке С, называется эвтектическим. В этой точке сплав имеет определенный состав. В точке С (с концентрацией 4,3% С и температурой 1147°С) образуется эвтектика (ледебурит). Сплавы, расположенные влево от эвтектики называются доэвтектическими, вправо – заэвтектическими.
Линия ACD показывает начало первичной кристаллизации: по линии АС из жидкого раствора начинает кристаллизоваться аустенит, по CD — цементит (первичный цементит). Поэтому в области АСЕ существует жидкий раствор и кристаллы аустенита (Ж+A), а в области CDF - жидкий раствор и кристаллы цементита первичного(Ж+Ц).
При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2.14% до конца затвердевают с образованием аустенита.
Точка Е диаграммы показывает максимальную растворимость углерода в аустените при температуре 1147°С, Она принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали (до 2,14 % С) и чугуны (свыше 2,14 %).
Рис. 3.2. Диаграмма фазового состояния Fe – Fe3C
Линия AECF - является началом вторичной кристаллизации (превращения в твердом состоянии или перекристаллизации), характерной для твердой фазы. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую ( α в γ) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается.
Точка G диаграммы соответствует температуре аллотропического превращения чистого железа (911°С). С повышением содержания углерода до 0,8% температура превращения аустенита в феррит, постепенно снижаясь, достигает 727 °С. Линия GS - начало, линия GP - конец превращения аустенита в феррит, поэтому область GPQ характеризует феррит (Ф).
В точке S (с концентрацией 0,8% С и температурой 727°С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь, называемая перлитом. В области GSP существуют аустенит и феррит (А+Ф), а в области QPS 0.8 - перлит и феррит (П+Ф).
Линия SE является линией ограниченной растворимости углерода в аустените: со снижением температуры растворимость падает с 2,14 до 0,8%. В связи с этим в сплавах при их охлаждении избыточный углерод выпадает из аустенита в виде карбида железа Fe3C. Поэтому в области SEE' существуют аустенит и цементит вторичный (А + Ц). Он называется вторичным потому, что он образуется из твердой фазы. В области 0,8 - S – Е - 2,14 существуют перлит и цементит (вторичный) (П + Ц).
Точка S (содержание углерода - 0,8%) является эвтектикой для сталей.
В зависимости от содержания углерода стали делят на доэвтектоидные (С<0,8%), их также можно назвать конструкционными; эвтектоидные (С = 0,8%) и заэвтектоидные (С>0,8%), последние две группы можно назвать инструментальными сталями.
Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита - увеличивается. Структура эвтектоидной стали состоит из перлита и заэвтектоидных сталей - из перлита и цементита.
Чугуны, так же как и стали, разделяют на эвтектические, доэвтектические и заэвтектические. Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называются доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода - заэвтектинескими.
В доэвтектических чугунах и первичный аустенит, и аустенит в составе эвтектики к концу кристаллизации содержат максимальное количество углерода (2,14%). Со снижением температуры до 11470С более избыточный углерод выпадает из аустенита в виде вторичного цементита. Поэтому в области ЕCС'Е' существуют аустенит, ледебурит и вторичный цементит (А+Л+Ц), а в области CFKC' — ледебурит и первичный цементит (Л+Ц). Эвтектический чугун (точка С) при температурах ниже 7270С состоит только из ледебурита. По прямой PSK. в чугунах аустенит характеризуется перлитным превращением.
После вторичной кристаллизации структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита.
Структура заэвтектического чугуна состоит из ледебурита и первичного цементита. В зависимости от состава чугунов могут быть получены различные механические свойства.
Следует отметить, что линия GPSK является концом вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов.
Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.
Диаграмма состояния железо углерод имеет большое практическое значение. Связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов была исследована Н.С.Курнаковым.
На рис.3.3. приведена диаграмма состояния и соответствующие ей закономерности изменения свойств сплава в зависимости от состава (два нижних ряда графиков). По осям ординат этих графиков откладывают свойства сплава (твердость, прочность, электропроводность и т.д.), а по осям абсцисс –содержание компонента в процентах.
Вид диаграммы состояния
Характер изменения
твердости
Характер изменения электропроводности
С
одержание
компонента %
Рис.3.3. Связь свойств сплавов с типом диаграмм (диаграмма третьего типа).
Диаграмму состояния используют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее применяют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режим заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы. Из анализа диаграмм состояний видно, что можно создавать сплавы различного назначения и целенаправленно формировать в сплавах требуемые свойства.