5.2.5 Двойные диаграммы состояния сплавов полиморфных компонентов и промежуточных фаз

Полиморфизмом или аллотропией называется способность простых и сложных веществ иметь различную кристаллическую решетку в зависимости от внешних условий (температуры и давления). Разные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными модификациями. Часто полиморфные металлы ограниченно взаимно растворяются в твердом состоянии. Вид диаграмм состояния таких систем усложнен. Полиморфными могут быть и промежуточные фазы.

Двойные диаграммы состояния сплавов с полиморфизмом компонентов будут рассмотрены на примере диаграммы железо-углерод.

ТЕМА № 6 АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ

Железо - углерод

6.1 Компоненты

Основным компонентом является железо. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета, атомный номер 26, атомная масса – 55.85, температура плавления – 1539°С. Железо – полиморфный металл. Имеются 2 полиморфные модификации (рис. 6.1).-модификация – существует ниже 911°С, имеет объемноцентрированную кубическую решетку. В интервале 1392 – 1539°С железо также имеет ОЦК решетку и его обозначают как -Fe. В интервале температур 911 – 1392°С существует -железо с гранецентрированной кубической решеткой. Ниже температуры 768°С (точка Кюри) -железо ферромагнитно.

Химически чистое железо содержит менее 0.0001% примесей и имеет твердость около 50 НВ. Твердость технически чистого железа (< 0.1 – 0.15% примесей) значительно выше – более 90 НВ. При этом _в около 250 Н/мм², относительное удлинение  порядка 40%, относительное сужение – более 70%.

Углерод в твердом состоянии существует также в виде двух модификаций – графит и алмаз. Но для образования алмаза необходимы весьма специфические условия – высокая температура и очень высокое давление.

6.2 Фазы в системе железо - углерод

Основными фазами железоуглеродистых сплавов являются жидкие и твердые растворы углерода в железе, графит и цементит.

Твердый раствор внедрения углерода в - и -железе называется ферритом и характеризуется ОЦК решеткой. Высокотемпературный -феррит имеет максимальную концентрацию углерода 0,1%. Максимальная растворимость углерода в -феррите составляет 0,025% при 723°С. Феррит является мягким (около 80 НВ) и пластичным. Он ферромагнитен до 768 °С и парамагнитен при более высоких температурах.

Твердый раствор углерода в -железе называется аустенитом. Он характеризуется ГЦК решеткой. Аустенит, стабилизированный путем легирования, имеет твердость около 200 НВ и высокую упрочняемость. В отличие от феррита, в аустените не наблюдается хладноломкость. Он парамагнитен. Граничная растворимость углерода в аустените – около 2%.

Графит - одна из полиморфных модификаций углерода с гексагональной решеткой, в которой атомы расположены слоями. Между атомами углерода каждого слоя действуют сильные ковалентные связи. Слои находятся на большом расстоянии один от другого, и между ними действуют слабые поляризационные силы.

Цементит - карбид железа Fe₃C со сложной орторомбической решеткой. Силы межатомной связи имеют комплексную, вероятно, ковалентно-металлическую природу. Цементит характеризуется большой твердостью (около 70 HRC ) и хрупкостью. В углеродистых железных сплавах цементит является относительно стойкой (метастабильной) фазой. Стабильной высокоуглеродистой фазой, характеризующейся минимальным значением термодинамического потенциала, является графит (рис.6.2).

Для образования графита необходимо, чтобы в одном участке собралось 100% атомов углерода, поэтому считают, что образование графита выгодно термодинамически и для этого необходимо медленное охлаждение. Для образования цементита достаточно 25% атомов углерода, при этом из объема не удаляются все атомы железа, поэтому такой процесс может произойти быстрее и считают, что образование цементита выгоднее кинетически и происходит при ускоренном охлаждении.