Диаграмма с неустойчивым химическим соединением

В отличие от диаграммы с устойчивым химическим соединением, диаграмма состояния, где два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры разлагается на жидкость и один из компонентов, т.е. не расплавляется полностью. На линии DCF находятся в равновесии три фазы: жидкость концентрации D, кристаллы компонента В и кристаллы химического соединения A_nB_m.

При нагреве неустойчивое химическое соединение A_nB_m распадается на жидкость концентрации D и кристаллы В. При охлаждении, произойдет обратная реакция: L_D+B→ A_nB_m.

Реакция эта подобна перитектической; жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор, как в случае перитектической реакции, а химическое соединение.

Процесс кристаллизации Ι в равновесных условиях будет протекать следующим образом. В точке 1 начинается кристаллизация, выпадают кристаллы В, и концентрация жидкости изменяется по кривой 1 – D. В точке 2 при постоянной температуре образуется неустойчивое химическое соединение.

По окончании реакции в избытке остается жидкость, которая кристаллизуется с выделением соединения A_nB_m до тех пор, пока концентрация жидкости не достигает точки Е. Тогда оставшаяся жидкость кристаллизуется в эвтектику, состоящую из кристаллов А и химического соединения. Следовательно, на кривой будет иметь две площадки: верхнюю, соответствующую образованию неустойчивого химического соединения, и нижнюю, соответствующую образованию эвтектики А+ A_nB_m.

 

 

2.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Основы диаграммы Fe – C были созданы Д.К.Черновым, который в 1868 г. впервые установил существование критических точек железа и зависимости температуры этих точек от содержания углерода в сплаве. В последующие годы Ф.Осмонду удалось измерить эти температуры, и с использованием разработанной Д.Гиббсом теории фазовых равновесий Р. Аустен в 1899 г. построил первую диаграмму состояния Fe – C. Несколько позже более полный, близкий к современному вид диаграммы представил Г.Розенбум, после чего продолжались ее исследования, вносились поправки и уточнения.

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰ С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰ С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Углерод в сплавах после охлаждения находится в составе феррита и цементита. Так как феррит содержит ничтожно мало углерода, то с увеличением концентрации углерода в сплавах прямо пропорционально возрастает количество цементита: при 0,8%С его доля составляет 12%, при 2,0%С доля цементита равна 30%, а при 4%С количество цементита достигает 60%. Поскольку цементит является твердой и хрупкой фазой, то с ростом концентрации углерода у сталей и белых чугунов увеличиваются твердость, пределы прочности и текучести, электросопротивление, уменьшаются плотность, пластичность, ударная вязкость, теплопроводность и магнитная проницаемость.

Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392^o С превращения - точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно (Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля), а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

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

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (δ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита (δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (δ) в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А;

A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение;

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .

Жидкая фаза (Ж) представляет неограниченный раствор железа и углерода с равномерным распределением их атомов при наличии металлической связи между ними за счет валентных электронов.

Ферритом называется твердый раствор внедрения углерода в α- железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Благодаря столь малому содержанию угле­рода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твер­дость и высокая пластичность).Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768^o С.

Твердый раствор углерода в высоко­температурной модификации Fe_α (т. е. в Fe_δ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенитом (А) называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_g c решеткой ГЦК и размещением атома углерода в центре объема элементарной ячейки. Максимальная растворимость углерода в Fe_g составляет 2,14% при температуре 1147^оС, что значительно превышает предельное содержание углерода в феррите. Это объясняется тем, что межатомное пространство, необходимое для наиболее благоприятных условий внедрения атома углерода, в решетке ГЦК представляет центр ячейки с размерами намного больше, чем центр грани в решетке ОЦК.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200-250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

Цементит (Ц) является карбидом железа Fe₃C со сложной плотноупакованной ромбической решеткой. Он содержит 6,67 % С и обладает метастабильностью (неустойчивостью) так, что при нагреве еще до температуры плавления 1260^оС начинается его распад с образованием стабильных фаз железа и углерода. Межатомные связи в решетке цементита имеют металлический и ковалентный характер, и это придает ему типичные для промежуточной фазы высокую твердость 10000 НВ и отсутствие пластичности. До температуры 210^оС цементит проявляет слабые ферромагнитные свойства, при более высоких температурах он переходит в парамагнитное состояние.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру (Видманштетова структура — разновидность металлографической структуры сплавов в металловедении и метеоритике, отличающаяся геометрически правильным расположением элементов структуры в виде пластин, полигонов или игл внутри составляющих сплав кристаллических зёрен).

Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава
Вторичный цементит - из аустенита
Третичный цементит - из феррита

 

3. МИКРОСТРУКТУРА СПЛАВОВ.

-Многие считают, что для оценки свойств сплавов достаточно знать их химический состав. Но это не совсем так.

-Например, многие сплавы после термообработки становятся намного прочнее, хотя химсостав при этом не меняется. И, наоборот, небольшое изменение химического состава сплава может вызвать большое изменение его механических или технологических свойств.

-На самом деле важно знать, каким образом составляющие компоненты присутствуют в сплаве, а для этого надо знать его фазовый состав. Можно считать, что химический состав определяет возможные свойства, а фактические свойства определяются фазовым составом.

-Для введения понятия Микроструктура, обратимся к фазовому составу.