6.7. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения

Превращения, связанные с кристаллизацией или плавлением сплавов, называются первичными, превращения в твердом состоянии – вторичными.

К вторичным превращениям относятся:

• изменение растворимости в твердом состоянии;

• полиморфные или аллотропические превращения;

• распад твердых растворов;

• упорядочение твердых растворов и промежуточных фаз;

• магнитные превращения.

Таким образом, превращения в твердом состоянии наблюдаются во всех случаях, при которых хотя бы один из компонентов обладает полиморфизмом.

Пример (рис. 6.11): Верхняя часть диаграммы характеризует первичную кристаллизацию, нижняя – вторичную. Компоненты А и В полиморфны, низкотемпературные модификации ограниченно растворимы друг в друге, а высокотемпературные – неограниченно, т.е. получаем сочетание диаграмм I и II родов. При температуре, соответствующей линии DСЕ, происходит распад  - твердого раствора с одновременным выделением ^ и ^ - твердых растворов:

 = ^ + ^

Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходным раствором является не жидкость, а твердый раствор. Подобное превращение называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов – эвтектоидом.

Рис. 6.11. Диаграмма с эвтектоидным превращением

6.8. Связь диаграммы состояния сплава с его свойствами

Вид диаграммы зависит от того, какие фазы образуют оба компонента. Свойства сплава также зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава. Поэтому между видом диаграммы состояния и свойствами сплава существует определенная связь. На рис. 6.12 приведены основные виды диаграмм состояния и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава с изменением концентрации. Метод изучения изменений свойств в зависимости от изменения состава и построения диаграммы «состав – свойства» был положен Н.С.Курнаковым в основу разработанного им физико – химического анализа сплавов.

Рис. 6.12. Зависимость между строением сплавов (диаграммой состояния) и их свойствами

По А.А.Бочвару существует связь между типом диаграммы и технологическими свойствами.

Сплавы со структурой твердых растворов пластичны, легко деформируются (прокатываются, куются, прессуются).

Сплавы, имеющие в структуре эвтектическую составляющую, обладают хорошими литейными свойствами (жидкотекучестью, низкой усадкой, концентрированной усадочной раковиной).

7 Анализ диаграммы «железо - углерод»

Компоненты системы – железо Fe и углерод С (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Диаграмма состояния «Железо – карбид железа» (Fe – Fe₃C)

Особенности диаграммы определяются полиморфизмом железа и углерода, а также ферромагнетизмом железа:

- от 1539 – 1392 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация железа называется  (Fe);

- от 1392 – 911 ^оС железо имеет решетку ГЦК, такая модификация железа называется (Fe);

- ниже 911 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация называется (Fe);

- при температуре 768 ^оС железо теряет магнитные свойства, и эта температура называется точкой Кюри.

В каждой модификации железа растворяется строго определенное количество углерода с образованием твердых растворов внедрения:

-  - феррит – раствор углерода в (Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в (Fe) составляет 0,1 % при температуре 1499 ^оС;

- аустенит – твердый раствор углерода в (Fe) с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в (Fe) составляет 2,14 % при температуре 1147 ^оС;

-  - феррит – твердый раствор углерода в (Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в (Fe) составляет 0,025 % при температуре 727 ^оС.

Кроме указанных выше твердых растворов в системе Fe – С образуются две высокоуглеродистые фазы:

- цементит – химическое соединение Fe₃С со сложной орторомбической решеткой, которое содержит 6,67 % углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 1260 ^оС . Эта фаза метастабильная, способная к распаду (Fe₃С  3Fe + С_гр);

- графит – модификация углерода с ГПУ решеткой. Эта фаза стабильная, состоит на 100 % из углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 3600 ^оС.

В дополнение к фазам в виде твердых растворов на диаграмме имеются области существования механических смесей:

- перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,8 % С (рис. 7.1, точка S);

- ледебурит – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727 ^оС или перлита и цементита при температурах ниже 727 ^оС, содержащая 4,3 % углерода (рис. 7.1, точка С).

Сплошными линиями изображена диаграмма Fe – Fe₃C, штриховыми – диаграмма Fe – С (рис.7.1). Основной является диаграмма Fe – Fe₃С. Однофазные области диаграммы:

• выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);

• область AHN – область  - феррита;

• область NJESG – область аустенита;

• область GPQ – область  - феррита;

• линия LD или KD – область цементита Fe₃C.

Остальные области диаграммы (рис. 7.1) – двухфазные: ледебурит, перлит и их комбинации.