2.4. Зависимость свойств сплавов от их состава

В диаграмме состояния обобщены наблюдения за всеми сплавами данной системы, она необходима для теоретических оценок и практических выводов при изучении и использовании сплавов. По диаграмме состояния можно установить температуру литья сплава, температуру термической обработки, указать вид структуры, ориентировочно судить о свойствах сплавов, об их поведении во время работы изделия.

Между типом диаграммы состояния и свойствами сплавов существует взаимосвязь. Впервые эту связь установил Н. С. Курнаков, именем которого и названы основные правила:

1) в системах, образующих твердые растворы, свойства изменяются по криволинейному закону с образованием максимума или минимума на кривой;

2) в системах кристаллизующихся с образованием эвтектик, в диапазоне концентраций сплавов–твердых растворов, свойства изменяются по криволинейным законам; в диапазоне концентраций сплавов с эвтектикой, свойства изменяются по линейному закону в интервале между свойствами первичных фаз, т. е. свойства изменяются пропорционально изменению количества фаз в структуре сплавов.

Технологию получения заготовок или изделий и режим их термической обработки также назначают с учетом положения сплава на диаграмме состояния, так как известно, что сплавы–твердые растворы – это высокопластичные деформируемые сплавы, невысокой прочности, хорошо штампуются, свариваются, но не упрочняются термической обработкой. Сплавы с вторичными фазами обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности и, главное, упрочняются термической обработкой, они могут быть деформируемыми и литейными. Литейные свойства улучшаются с приближением химического состава сплава к эвтектической точке. Поэтому сплавы с эвтектикой – это литейные сплавы, обработке давлением не подвергаются. С увеличением количества эвтектики в структуре прочность сплава повышается, а пластичность падает.

5. Фазы и структуры в системе «железо–углерод»

Диаграмма состояния системы «Fe–C» занимает особое место в металловедении, так как она является базой для анализа формирования структуры самых распространенных промышленных сплавов – сталей и чугунов. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода – чугунами (рис. 2.4, а).

При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ГЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Твердый раствор углерода в -Fe называют ферритом (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) – высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, предельная растворимость углерода достигает 2,14 %. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe₃С, обладает высокой твердостью хрупкостью. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe₃C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении некоторых добавок соединение Fe₃C распадается с образованием свободного углерода (графита) и железа.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита при содержании 0,8 % углерода; обычно состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2.5). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит.

Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем мельче пластины эвтектоидной смеси; такие структуры получили названия сорбит и троостит. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения диффузионный распад на феррито-цементитную смесь не успевает произойти. В результате бездиффузионного превращения аустенита образуется очень твердая, хрупкая фаза мартенсит с игольчатой структурой (рис. 2.6, а,б).

а) б)

Рис. 2.5. Микроснимок структуры (а) и схематический разрез (б) колонии перлита

В соответствии с диаграммой состояния стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8 % углерода), эвтектоидные и заэвтектоидные (свыше 0,8 % углерода). Эти группы отличаются структурой, свойствами и назначением. Микроструктура доэвтектоидной стали с 0,5 % углерода представляет собой смесь зерен феррита и перлита (рис. 2.7, б), эвтектоидная сталь с 0,8 % углерода имеет структуру перлита (рис. 2.7, в), заэвтектоидная сталь с 1,1 % углерода представляет собой колонии перлита, окруженные по границам тонкой светлой сеткой вторичного цементита (рис. 2.7, г).

Рис. 2.6. Аустенит (а), мартенсит (б), 500

Все чугуны в зависимости от состояния углерода делятся на две большие группы – белые и серые чугуны.

Белый чугун – содержит весь углерод в связанном состоянии, т. е. в виде цементита. Благодаря большому содержанию цементита эти чугуны имеют светлый излом и поэтому называются белыми. Эвтектику, кристаллизующуюся из расплава называют ледебуритом. Ледебурит представляет собой смесь из цементита (основа) и аустенита. Белые чугуны подразделяют на доэвтектический чугун (до 4,3 % С), эвтектический (4,3 % С), и заэвтектический (свыше 4,3 % С).

Серый чугун содержит углерод частично или полностью в свободном состоянии в виде графита. Если в структуре чугуна содержится графит, то излом имеет серый цвет, поэтому такой чугун называют серым. Серый чугун может быть на ферритной или перлитной основе, а выделения графита могут иметь пластинчатую или компактную форму.

Рис. 2.7. Микроструктура феррита (а), доэвтектоидной стали (б), эвтектоидной стали (в), заэвтектоидной стали (г).

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ, МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ