4. Фазовая диаграмма состояния .

Диаграмма состояния (рис. 1, табл. 1) характеризует фазовый состав и превращения в системе железо-цементит. Железо, взаимодействуя с углеродом, образует ряд химических соединений:и др. Поскольку устойчивое химическое соединение в диаграммах может быть рассмотрено как компонент, обычно диаграмму железо-углерод изображают только до содержания 6,67% С, соответствующего образованию химического соединения карбида железа, так как практическое значение имеет только эта часть диаграммы системы(сплавы, содержащие больше углерода, очень хрупкие).

Диаграмма представлена в упрощенном виде, поскольку все сплавы, содержащие до 2,14% С, после кристаллизации имеют структуру аустенита (опущено так называемое перитектическое превращение).

Таким образом, диаграмма железо- углерод (цементит) образована двумя компонентами: чистым железом и углеродом С, входящим в химическое соединение, называемое цементитом.

ЖЕЛЕЗО – серебристо-светлый металл, атомный вес 55,85. Техническое железо содержит примерно 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2% примесей, состоящих более чем из десятка элементов. Для технически чистого железа температура плавления равна (5 град), плотность 7,85. Железо обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью , но хорошей пластичностью.

Рис. 1. Фазовая диаграмма сплавов системы железо-углерод.

Положение критических точек на двойной диаграмме сплавов

Точка	Температура,	Массовая концентрация углерода, %	Точка	Температура,	Массовая концентрация углерода, %
А	1539	0,00		1392	0,11
	1499	0,53	G	911	0,00
	1499	0,16	P	727	0,00
С	1147	4,30	S	727	0,02
D	1600	6,67	K	727	0,80
E	1147	2,14	Q	25	6,67
F	1147	6,67	L	25	0,006
	1499	0,11			6,67

Примечание: точки со значком * на упрощенных диаграммах опускаются. Точка А соединяется линиями с точками С и Е.

При охлаждении и нагреве железо испытывает аллотропические превращения (Рис. 2), т.е. оно может при разных температурах иметь различные полиморфные модификации -  (О.Ц.К) и  (Г.Ц.К,). В кубической объемно-центрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах кубах и в центре каждой гране. Полиморфизмом называется способность простых и сложных веществ иметь различную кристаллическую структуру в зависимости от внешних условий – температуры и давления. Разные кристаллические формы вещества называют полиморфными модификациями.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа

Температура наиболее важных превращений в железоуглеродистых сплавах или критические точки обозначают буквой А с соответствующими индексами. На практике при нагреве процессы начинаются и протекают при температурах несколько более высоких, чем при охлаждении. Поэтому введены дополнительные обозначения критических точек. Для обозначения критических точек при нагреве добавляют букву с, при охлаждении – букву ч, например - нагрев,- охлаждение.

До температуры железо имеет ОЦК решетку (К8) с параметром при комнатной температуре=0,286 мм (2,86 А), его обозначаютПрипроисходит превращение, и в температурном интервалежелезо обозначают(ГЦК, К12, с условным параметром, полученным, экстраполяцией до комнатных температур,). Элементарная кристаллическая ячейка характеризуется кроме параметратакже координационным числом К(К8, К12), под которым понимают число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от избранного атома. При(точкаN на диаграмме, см. рис. 1. опущена) вновь происходит перестройка решетки , которая сохраняется до температуры плавления. Эту модификацию обозначаюти. Прина кривых охлаждения и нагрева железа появляется перегиб, отвечающий изменению магнитных свойств железа (точка Кюри). Доферромагнитно, выше этой температуры - парамагнитно. Пока не было установлено, что магнитные превращения не связаны с аллотропией, немагнитноеобозначали как модификацию, существовавшую отдо.

Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа) , образующееся при содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находится 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита около. Цементит имеет очень высокую твердость (800 НВ), хрупкий. До обладает слабыми ферромагнитными свойствами.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Напомним, что фазами в сплавах могут быть жидкие и твердые растворы, химические элементы и соединения, и обоснуем причину образования тех или иных фаз в определенных областях диаграммы.

Для этого воспользуемся правилом фаз Гиббса.

Однофазные сплавы (Ф=1) в двухкомпонентной системе (К=2) будут иметь максимальное число степенной свободы

С=K-Ф+1=2-1+1=2

Степень свободы – независимый переменный параметр, который можно самопроизвольно изменять в определенных пределах (до границ области) без изменения состояния сплава, т.е. числа и природы фаз. Следовательно, однофазные сплавы характеризуются двумя независимыми переменными и должны на диаграмме занимать область (поверхность характеризуется двумя степенями свободы).

Поскольку для жидкого раствора независимыми переменными и, следовательно, степенями свободы являются температура и концентрация (химический состав) фазы, а концентрация может изменяться непрерывно, то область, занимаемая жидким раствором, на диаграмме должна располагаться выше всех линий между вертикалями (ординатами) диаграммы.

Взаимодействие углерода с - и -модификациями железа приводит к образованию граничных растворов (области граничных твердых растворов должны примыкать к вертикалям, так как растворителями являются компоненты), образующих на диаграмме области (Ф=1; К=2 и С=2), примыкающие к оси ординат со стороны железа (растворителя): до- феррит (Ф), выше- аустенит (А). Поскольку углерод может располагаться в межатомных порах кристаллической решетки железа и, следовательно, имеет ограниченную растворимость, то области существования этих фаз на диаграмме состояния, кроме вертикали, должны ограничиваться кривыми линиями, называемымилиниями ограниченной растворимости. На этих линиях растворы насыщены, а внутри области – не насыщены. Линии ограниченной растворимости – кривые, так как насыщенность растворов изменяется с температурой.

ФЕРРИТ (обозначается Ф или ) – твердый раствор внедрения углерода в . Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите мала и составляет 0,02% (точка Р), в высокотемпературном – 0,1% (точка Н, на упрощенной диаграмме опущена). Столь низкая растворимость углерода вобусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях).

Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами:

АУСТЕНИТ (обозначается А или ) – твердый раствор внедрения углерода в . Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода взначительно больше и достигает 2,14% (точка Е). Аустенит пластичен () и прочнее феррита (170……220HB).

Химические элементы и соединения характеризуются одной степенью свободы (С=1, можно изменять температуру, и, следовательно, если они являются фазами в сплавах, т.е. не образуют растворы, они должны располагаться на линиях (характеризуются одним независимым параметром), а ввиду того, что их состав постоянен, это могут быть только вертикали. Учитывая, что железо с углеродом образует растворы, а цементит (Ц) практически не растворяет железо, то цементит будет фазой в сплавах ,и его однофазная область – правая ордината диаграмм (вертикаль).

Из правила фаз Гиббса следует, что в двухкомпонентной системе (К=2) максимальное число фаз будет С-0.

Равенство С=0 показывает, что независимые переменные параметры стали постоянными величинами, и, следовательно, для трехфазного равновесия должны соблюдаться 2 условия:

1. Температура должна быть постоянной

2. Концентрация каждой фазы также – постоянной (с учетом метастабильного равновесия).

Следовательно, трехфазные сплавы на диаграмме состояния могут находится только на горизонталях (t=const), т.е. существовать при и. При этом концентрации всех фаз постоянны, так как в равновесных сплавах – смесях химические элементы и химические соединения имеют всегда постоянный состав; растворы всегда насыщены и их состав определяется однозначно температурой, которая постоянна.

Из вышесказанного следует важное утверждение, что для трехфазных сплавах, находящихся в равновесном состоянии при определенной температуре и имеющих постоянные концентрации фаз, концентрация сплава не может быть степенью свободы, и может изменяться в широких пределах. Так, при температуре в равновесии могут находится три фазы: жидкий раствор состава точки С (4,3% С), аустенит состава точки Е (2,14% С) и цементит (6,67% С), а концентрация сплавов может изменяться от 2,14 до 6,67 С. Прив равновесии могут находится аустенит состава точкиS (0,8% C), феррит состава точки Р (0,02% С) и цементит (6,67% С), концентрация сплавов может изменяться от 0,02 до 6,67% С.

Из правила фаз Гиббса следует, что двухкомпонентные сплавы могут быть одно-, двух- и трехфазными. На диаграмме однофазными областями являются: феррит (областьGPQ), аустенит (область АЕSG), жидкий раствор (область выше линии АСD) и цементит (вертикаль DFKL); трехфазными – горизонталь при (PSK) и при (ECF). Все остальные области на диаграмме являются двухфазными. Природа фаз, находящихся в этих областях, определяется граничащими с ним (слева и справа) однофазными областями. Когда в

сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить концентрацию обеих фаз и их количество, для чего служит так называемое ПРАВИЛО РЫЧАГА, илиПРАВИЛО ОТРЕЗКОВ КОНОДЫ.

Сущность этого правила заключается в следующем:

1. Для определения концентрации компонентов в фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (изотерму) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Линия, соединяющая состав фаз, находящихся в равновесии, называется КОНОДОЙ.

2. Количественное соотношение фаз определяется отрезками этой коноды между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорционально количествам этих фаз.

Проиллюстрируем это правило на примере.

Допустим совершенно произвольно, что необходимо определить для сплава с концентрацией углерода 6,0% при температуре (см. рис.1), какие фазы будут находится в равновесии, концентрацию компонентов в каждой из фаз, а также количество этих фаз. Для этого проводим конодучерез точку К, характеризующую состояние сплава. Конода своими концами показывает, что в равновесии находятся две фазы: жидкий раствор углерода в железе (Ж) и химическое соединение карбид железа- цементит (Ц). Проекция точкина ось концентраций определяет концентрацию углерода в жидкой фазе, она равна отрезку, т.е.n%C. Кристаллы цементита имеют постоянный состав, концентрация которого лежит на вертикалеDFKLи составляет отрезокOL, 6,67% С.

Если точка kопределяет состояние сплава, точка- состав жидкой фазы, а точка- состав твердой фазы, то согласно правилу рычага отрезокопределяет все количество сплава (общий вес сплава принимаем равным единице или 100%), отрезок- количество жидкости, отрезок- количество кристаллов цементита (твердой фазы). Это легко поясняется равновесием рычага (рис. 3). Равновесное состояние сплава в точке к, будет только в том случае, если будет выполняться равенство произведений, гдеколичество жидкой фазы, а- количество твердой фазы. Отсюда: количество фаз

относятся обратно пропорционально отрезкам коноды:

Рис. 3. Схема для пояснения правила рычага (отрезков).

Если учесть, что отрезок - полное количество сплава, то

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза: любая точка внутри области характеризует её концентрацию. При наличии одновременно трех фаз в двойной системе количество их нельзя определить, так как оно непрерывно меняется. Например, при кристаллизации жидкой фазы концентрации точки С (см. рис. 1) в равновесии находятся три фазы, концентрационные точки которых расположены на одной горизонтали, т.е. жидкость состава С () , кристаллы аустенита концентрации Е () и кристаллы цементита концентрацииF(). В процессе кристаллизации количество жидкой фазы уменьшается, а количество твердых фаз увеличивается, концентрация же компонентов в фазах не меняется.