1.7. Диаграммы состояния.

Эти диаграммы в удобном графическом виде показывают структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы позволяют судить об изменениях структуры сплавов при медленном нагреве или охлаждении. Их построение осуществляют с помощью метода термического анализа, в основе которого – фиксация изменения температуры металла в процессе его медленного охлаждения с температуры жидкого раствора до комнатной. С помощью этого метода получают кривые охлаждения (рис.12) и по точкам перегиба на этих кривых определяют температуры начала и завершения первичной и вторичной кристаллизации. Эти температуры называют критическими точками. Совокупности этих точек образуют линии диаграммы, разделяющие ее на области с различным фазовым и структурным составом.

а)	б)
Рис.11. Кривые охлаждения для технического металла (а) и сплава (б).

Диаграммы состояний двухкомпонентных сплавов могут быть сведены к нескольким основным типам. Приоритетное значение имеет диаграмма состояния Fe-C (железо - углерод), что объясняется широким применением железоуглеродистых сплавов в машиностроении (равноценное название – «диаграмма Fe-Fe₃C» (железо-цементит).

В упрощенном виде (без т.н. «перитектической области») диаграмма представлена на рис.12.

Рис.12. Диаграмма состояния железо – цементит.

Диаграмма представляет собой графическое изображение фазового и структурного состава железо-углеродистых сплавов, а также фазовых превращений, происходящих в этих сплавах при медленном нагреве и медленном охлаждении. В зависимости от содержания в сплавах углерода различают: 1) техническое железо (0,008-0,03%С); 2) стали (0,03-2,14%С); 3) чугуны (2,14-6,67%С).

Диаграмма состоит из однофазных и двухфазных областей;фазовые превращения происходят в двухфазных областях. Так, в двухфазных областях, ограниченных линиями ACD (ликвидус) и AECF(солидус) происходит первичная кристаллизация сталей и чугунов. В сталях первичная кристаллизация завершается образованием однофазной структуры – твердого раствора (аустенита), а в чугунах – образованием при 1147°С эвтектики – смеси аустенита и цементита, которую называют ледебуритом. Эвтектическое превращение можно представить в виде схемы:

Ж _4,3Л (А_2,14+Ц_6,67).

Чугуны, в структуре которых при кристаллизации образуется ледебурит, называют белыми (по цвету излома).

Если в состав чугуна входят графитизирующие добавки (Si,Ni), а скорость охлаждения при первичной кристаллизации невелика, то часть углерода выделяется в виде графита, и получается графитизированный чугун. В таких чугунах эвтектика кристаллизуется при 1153°С и состоит из аустенита и графита, поэтому ее называют графитной эвтектикой. Образование графитной эвтектики также можно представить в виде схемы:

Ж _4,26Э (А_2,11+графит).

Вторичная кристаллизация при охлаждении сплавов до 727°С обусловлена полиморфным превращением Fe_γFe_αи изменением растворимости углерода в аустените. В результате в структуре сплавов появляется вторая фаза: в доэвтектоидных (<0,8%С) сталях – феррит, в заэвтектоидных (>0,8%С) сталях и чугунах – цементит. Вторичная кристаллизация в сталях и чугунах завершается при 727°С распадом аустенита и образованием эвтектоида – механической смеси феррита и цементита, которую называют перлитом. Эвтектоидное превращение можно представить в виде схемы:

А _0,8П (Ф_0,03+Ц _6,67).

При температурах ниже 727°С вторичная кристаллизация связана с выделением избыточного углерода из феррита в виде цементита. Таким образом, основными фазовыми превращениями в сплавах системы Fe-C при охлаждении являются первичная и вторичная кристаллизация, а также образование механических смесей: эвтектической (ледебурит) и эвтектоидной (перлит).