1.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Свойства сплавов зависят от их строения, которое определяется харак­тером взаимодействия компонентов. Диаграммы состояния характе­ризуют взаимодействие компонентов и показывают, какие фазы и структуры образуются в зависимости от состава сплава и температуры. Отсюда вытекает, что должна существовать определенная связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплава. Такая связь была установлена академиком Н.С. Курнаковым.

1. При образовании механической смеси свойства изменяются пря­молинейно и их значения находятся в интервале между свойствами чистых компонентов (рис. 1.12, а).

2. При образовании твердых растворов свойства изменяются по плавным кривым (рис. 1.12, б).

3. При образовании ограниченных твердых растворов характер из­менения свойств становится более сложным. В области однофазных твердых растворов α и β они изменяются по плавным кривым, в двух­фазных - по прямолинейному закону (рис. 1.12, в).

4. При образовании химического соединения свойства изменяют­ся резко - скачком. Максимум или минимум на кривой изменения свойств соответствует точке химического соединения. Эта точка пе­релома, соответствующая химическому соединению, называется син­гулярной точкой (рис. 1.12, г).

По диаграммам состояния можно также определить технологиче­ские свойства сплавов. Чем больше расстояние между линиями лик­видуса и солидуса, тем больше интервал кристаллизации и тем больше склонность сплавов к ликвации и образованию усадочной пористости.

Рис. 1.12. Связь между диаграммами состояния и механическими свойствами сплавов

Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Эти же сплавы лучше обрабатываются резанием. Однофазные спла­вы - твердые растворы - лучше деформируются в холодном и горя­чем состоянии.

Из сказанного можно сделать вывод, что диаграммы состояния позволяют теоретически прогнозировать свойства сплавов, созда­вать промышленные сплавы с заданными свойствами и выбирать оптимальные виды обработки для получения заданной структуры и свойств.

Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

2.1. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В технике наиболее широко применяют сплавы железа с углеродом - стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния железо - углерод име­ет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо - цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превращения в системе железо - графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe-С приведены на рис. 2.1.

Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух аллотропи­ческих формах: Fe_α и Fe_β.

Рис. 2.1. Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_α называется ферритом (Ф). Растворимость углерода в Fe_α невелика и составляет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (σ_в = 250 МПа), но высокую пластичность (δ ≈ 50 %).

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ называется аустенитом (А). Растворимость углерода в Fe_γ значительно больше, чем в Fe_α, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоугле­родистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160...200 НВ.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластич­ность (δ ≈ 1 %). Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продуктом распада ау­стенита при 727 °С (200...250 НВ; δ = 10...20 %; σ_в = 600...650 МПа):

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называет­ся ледебуритом (Л). Ледебурит образуется при кристаллизации рас­плава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C представлена на рис. 2.2. Линия ACD - ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF- солидус. Ниже этой линии все сплавы на­ходятся в твердом состоянии. Область существования феррита огра­ничена площадью 0QPG, аустенита - GSEA. На линии DFKL образует­ся цементит, на ECF - ледебурит, на PSK - перлит.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C очень сложная. Поэтому для под­робного ознакомления с ней и с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на характерные участки, исходя из процентного содержания углерода:

0...0,8 % - сплав I; 0,8...2,14 % - сплав II; 2,14...4,3 % - сплав III; 4,3...6,67 % - сплав IV.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0...0,02 % углерода, на­зываются техническим железом, 0,02...2,14 % -сталями, 2,14...6,67 % углерода - чугунами.

Рис 2.2. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C