Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от того, какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризуют взаимодействие компонентов и показывают, какая структура образуется в зависимости от состава сплава. Следовательно, существует связь между свойствами и диаграммами состояний. При этом необходимо знать, что в связи с большим многообразием диаграмм состояния они были классифицированы:
– на диаграмму состояния сплавов (I рода), компоненты которой образуют механическую смесь (рис..., а);
– диаграмму состояния сплавов (II рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (рис. …, б);
– диаграмму состояния сплавов (III рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно – в твердом (рис. …, в);
– диаграмму состояния сплавов (IV рода), компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (рис. …, г).
|
|
Рис.. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойствами
Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм состояния впервые установил академик И. С. Курнаков. Построенные им диаграммы состав – свойство широко используются на практике. Твердость (НВ), электрические и другие физические характеристики сплавов, затвердевающих согласно диаграмме состояния, компоненты которых не растворимы в твердом состоянии, изменяются по закону прямой линии (рис. …., а). Если в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. …, б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образования химического соединения свойства изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу (рис. …, в и г).
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — наиболее важные металлические сплавы современной техники. Достаточно сказать, что производство стали и чугуна по объему намного превосходит производство всех других металлов вместе взятых.
Максимальное содержание углерода в сплавах с железом составляет 6,67%. Это значение соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe3C (цементит), который и будем рассматривать дальше как самостоятельный компонент. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Fe-C (рис. 5.23) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое значение, и может быть представлена в системе железо-углерод (пунктирные линии) или железо-цементит (сплошные линии).
Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — цементит (сплошные линии).
|
|
Железо — металл серебристо-белого цвета, обладающий очень высокой пластичностью (относительное удлинение составляет около 50%) при невысокой прочности (180-250) МПа. Температура плавления железа 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — Рео(объемноцентри-рованный куб) и Fe (гранецентрированный куб).
Цементит — это химическое соединение Fe}C (карбид железа). Кристаллическая решетка цементита очень сложна. Температура плавления цементита около 1250°С. Аллотропических превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо магнитен. Он имеет очень высокую твердость, соизмеримую с твердостью алмаза (НВ > 800), при этом его пластичность близка к нулю. Цементит — соединение неустойчивое и при высоких температурах распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
Помимо основных компонентов в структуре железоуглеродистых сплавов можно обнаружить следующие структурные составляющие:
Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо. Он обладает сравнительно невысокой твердостью НВ (65-130), пластичен (5 = 40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло, обладает хорошей электропроводностью.
Растворимость углерода в феррите очень мала и составляет при температуре 727°С всего 0,025%, при комнатной температуре она много ниже и составляет 0,006%.Твердый раствор углерода в 8-железе носит название 5-феррит или высокотемпературный феррит.
Аустенит (А) — твердый раствор углерода в у-железе, имеет решетку гранецентрированного куба. Аустенит не магнитен, обладает относительно невысокой твердостью НВ (170-200). Максимальная растворимость углерода 2,14% при температуре 1147°С. При температуре 727°С растворимость углерода составляет 0,83%.
Перлит (П) — механическая смесь, состоящая из очень тонких пластинок или зерен цементита и феррита. Образуется в результате распада аустенита при температуре 727*С. Содержание углерода в перлите 0,83%. Поскольку превращение аустенита в перлит происходит в твердом состоянии, эта смесь называется эвтектоид (а не эвтектика, которая образуется при первичной кристаллизации). Элементарная кристаллическая ячейка перлита представляет собой композицию двух решеток — феррита и цементита, объединенных общими связями, поэтому свойства перлита будут представлять некую величину, лежащую между свойствами феррита и цементита. Так, твердость по Бринелю составляет около 250 НВ, относительное удлинение 5 = 12-15%.
Ледебурит — механическая смесь (эвтектика), образованная цементитом и аустенитом, содержащая 4,3% при температуре 727°С. В интервале температур от 1147 до 727°С ледебурит состоит из аустенита и цементита, при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Ледебурит характеризуется высокой твердостью (НВ = 700 МПа) и, следовательно, высокой прочностью, но в то же время пластичность его близка к нулю.
Точка А на диаграмме (….) показывает температуру плавления чистого железа, точка D — температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ABCD (линия ликвидус) и заканчивается на линии AHJECF (линия солидус). В температурном интервале кристаллизации существуют одновременно две фазы — жидкий расплав и кристаллы избыточного компонента по отношению к составу эвтектики.
Ниже линии солидус в затвердевших сплавах при понижении температуры происходят дальнейшие изменения структуры. Это связано с аллотропическими превращениями железа и называется вторичной кристаллизацией. Сплавы с содержанием углерода до 2,14% в области IV состоят из одного аустенита. При охлаждении сплава на линии GS начинается образование феррита, а на линии SE — вторичного цементита. Остающийся при этом аустенит при температуре 727°С полностью распадается на феррит и цементит, образуя при этом механическую смесь эвтектоидного состава (перлит).
|
|
Таким образом, сплавы с содержанием углерода до 0,83% называютсядоэвтектоидными и состоят при нормальной температуре из феррита и перлита. Сплавы с содержанием углерода 0,83% называются эвтектоидными и состоят из перлита. Если концентрация углерода находится в пределах 0,83%-2,14%, сплав называют заэвтектоидным, и его состав — перлит и цементит вторичный.
Рассмотрим превращения в сплавах с содержанием углерода более 2,14%. В точке С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита с образованием сплава эвтектического состава— ледебурита. При содержании углерода (2,14-4,3)% сплав называют доэвтектическим, и он состоит из цементита вторичного, аустенита и ледебурита. При содержании углерода (4,3-6,67)% сплав называется заэвтектическим и состоит из цементита и ледебурита. Сплав с содержанием углерода до 2,14% называется сталь, а больше 2,14% —чугун.
Сольвус. В диаграмме состояния, положение точек, представляющих температуру, при которой твердые фазы с переменным химическим составом сосуществуют с другими твердыми фазами, то есть показывающие пределы растворимости в твердом состоянии
Чугуны по содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% углерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и PSK (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит. превращается в перлит, а доэвтектические чугуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением количества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увеличивается — ледебурита.
|
|
Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в количестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной температуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектический чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.
Заэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристаллов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшаяся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтектические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрастает и содержание цементита.