1.4.5.Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков. На рис. 2.10 схематически показана зависимость свойств сплавов от типа диаграммы состояния, откуда можно вывести следующее: при образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства изменяются по плавным кривым (рис. 2.10, б); при образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью или типа механической смеси свойства изменяются прямолинейно (рис. 2.10, а, в); при образовании химического соединения свойства изменяются резко – скачком (рис. 2.10, г).

Рис. 2.10. Свойства сплавов и вид их диаграммы состояния (по Н.С. Курнакову)

1.5.Диаграмма состояния системы железо–углерод

1.5.1.Основные свойства железа

Чистое железо – металл серебристо-белого цвета, весьма пластичный. Железо образует несколько окислов: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄. Температура плавления Т_пл=1539°С, кипения – Т_кип=2450°С. Свойства железа в значительной степени зависят от содержания неконтролируемых примесей (углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и др.).

Для железа характерно явление полиморфизма (аллотропии), при котором твердые вещества могут изменять тип кристаллической решетки и свойства под воздействием внешних факторов (температура, давление и т.д.). Железо имеет четыре полиморфные модификации: –, –, – и –Fe. Кристаллическая решетка для –, – и –Fe имеет тип ОЦК с разными межатомными расстояниями, а для –Fe – тип ГЦК. Модификации – и –Fe способны образовывать твердые растворы с углеродом. Другими примерами веществ, обладающих аллотропными модификациями структуры и свойств, являются: углерод (алмаз и графит); двуокись кремния (– и –кварц, тридимит, кристобалит, стишовит, коэсит); серое и белое олово.

Полиморфные превращения являются обратимыми, в процессе выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении). На кривой охлаждения появляются критические точки и горизонтальные участки, соответствующие процессам перекристаллизации.

На рис. 2.11 приведена кривая охлаждения железа из расплавленного состояния, на которой горизонтальными участками отделены температурные интервалы существования различных модификаций железа.

При переходе –Fe в –Fe тип кристаллической решетки сохраняется, но меняются физические свойства: железо из парамагнитного состояния переходит в ферромагнитное, т.е. при температуре ниже 768°С становятся возможными спонтанная намагниченность материала и его доменная структура.

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение; –железо растворяет очень мало углерода (до 0,02% при 727°С). Твердый раствор углерода и других элементов в –железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность: 80 НВ; _B=250 МПа (25 кгс/мм²) и высокую пластичность (=50%). –железо растворяет значительно большее количество углерода – до 2,14% при 1147°С. Твердый раствор углерода и других элементов в –железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен, твердость его 160–200 НВ, =4050%.

Рис. 2.11. Кривая охлаждения железа

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите содержится 6,67% С; он имеет высокую твердость (~ 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.