2. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Черные металлы и сплавы занимают важное место в международной торговле. При таможенной экспертизе особое значение придается структуре металлов и сплавов.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных друг относительно друга под различными углами.

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющееся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Для железа наиболее характерными являются 2 типа кристаллических решеток (Рис. 7.1.):

1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) при температуре до 910 С. Железо этой модификации (α-железо) обладает повышенной пластичностью и магнитными свойствами до 768 С (точка Кюри).

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) при температуре выше 910 С. Железо этой модификации (γ-железо) обладает повышенной прочностью, немагнитно.

Рис. 7.1. Атомно-кристаллическое строение металлов с объемноцентрированной кубической (а) и гранецентрированной кубической (б) элементарными ячейками

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. При снижении температуры возникают центры кристаллизации — зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией.

Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура — время (Рис. 7.2.).

При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1-2 рис.  7.2, а) понижение температуры идет плавно. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (Рис.  7.2, а) появляется горизонтальный участок 2-3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3-4 рис.  7.2, а).

При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (Рис.  7.2, б). Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2-3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходит, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем происходит одновременная кристаллизация компонентов при постоянной температуре (участок 3-4 рис.  7.2, б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4-5.

Рис. 7.2. Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)

Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой.

Основные типы сплавов.

Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других ее частей поверхностью раздела. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной — механическая смесь двух видов кристаллических веществ.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы.

Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на три группы: твердый раствор, химическое соединение, механиче­ская смесь компонентов.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов и критических точек в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия. Равновесными являются такие условия, при которых процессы, протекающие в системе, обратимы.

Диаграмму состояния строят в координатах температура — концентрация. Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа в координатах температура — время (так же, как для металлов). Особенности поликристаллического строения сплавов в твердом состоянии изучаются с помощью оптического микроскопа обычно при 100—1000-кратном увеличении. Атомная структура сплавов и параметры кристаллических решеток определяются методом рентгеноструктурного анализа.

Железо с углеродом могут образовывать одно- и двухфазные системы.

К однофазным системам железоуглеродистых сплавов относятся:

- феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Максимальная растворимость С в феррите 0,006 % при 20 С и 0,02 % при 727 С, то есть феррит – практически чистое железо. Феррит магнитен, имеет низкую твердость и прочность (80 - 100 НВ; б = 250 МПа), высокую пластичность;

- аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % при температуре 1147 С. Немагнитен и более твердый (160 – 200 НВ) и прочный.

- цементит (карбид железа) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода; он имеет очень высокую твердость (800 НВ) и очень хрупкий.

- графит – кристаллическая разновидность углерода.

Двухфазными системами железоуглеродистых сплавов являются:

- перлит – механическая (эвтектоидная) смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при температуре 727 С и содержит углерода 0,8 %, характеризуется своеобразной зернистой структурой и высокой прочностью, твердость 200 – 220 НВ.

- ледебурит – механическая (эвтектическая) смесь, состоящая после образования из аустенита и цементита, а после охлаждения – из перлита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3 % С) при температуре 1147 С, имеет очень высокую твердость – 800 НВ и хрупкость.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (в упрощенном виде) приведена на рис.  7.3. Диаграмма сплавов железа с углеродом включает сплавы, содержащие от 0 до 6,67 % углерода (100 % Fe₃C), так как сплавы с более высоким содержание углерода не имеют практического применения. Такую диаграмму часто называют железо-цементит.

На оси абсцисс откладывают содержание углерода и соответствующее ему содержание цементита, по оси ординат – температуру в градусах Цельсия. Левая ордината соответствует 100 %-ному содержанию железа, правая – 6,67 %-ному содержанию углерода, то есть 100 %-ной концентрации цементита. Буквенные обозначения характерных точек диаграммы общеприняты в международной практике.

На этой диаграмме точка А (1539 С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (1600 °С) — температуре плавления (затвердевания) цементита. Выше линии ACD все сплавы представляют собой однофазный жидкий сплав. Эта линия называется линией ликвидуса (с греч. — жидкий), показывающая температуры начала затвердевания сталей и чугунов. Линия АЕСF называется линией солидуса (с греч, — твердый). Ниже линии АЕСF все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой; с греч. -— легко плавящийся). В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом.

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса СD — цементит, называемый первичным цементитом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образованием аустенита.

Стали — это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С.

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14 % С.

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSЕ, РSК, РQ. Процесс выделения кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).

Линия РSК (727 °С) — линия эвтектоидного превращения, то есть превращения сплавов в твердом состоянии. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом, или эвтектоидной сталью.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали с содержащие менее 0,8 % С — феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8 % С — перлит, называют эвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8-2,14 % С — перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталиями.

Диаграмма состояния имеет большое практическое значение. По диаграмме можно определить температурный интервал ковки или объемной штамповки сплава, температуру нагрева для проведения термической обработки, температуру начала и конца заливки металла в литейные формы и другие технологические параметры.