8875

связи с этим в заперитектических сплавах (сплав II) перитектическая реакция заканчивается также образованием новой α – фазы, но избыток β - фазы остается.

В результате сплав приобретает структуру механической смеси, состоящей из кристаллов двух типов αб и βв (рис. 1.26). В отличие от эвтектической смеси,

в которой обе фазы выделяются одновременно и равномерно чередуются,

механические смеси, получающиеся при перитектическом превращении характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (в нашем случае, это β –

фаза), окружена фазой, выделившейся позднее. Кроме этого, количественное соотношение фаз в такой смеси переменно: чем ближе к концентрации перитектического состава, тем в нем больше фазы α.

Рис. 1.26. Схема микроструктуры заперитектического сплава

Для доперитектических сплавов (сплав III) перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию сплава, так как наряду со вновь образовавшейся фазой α, сохраняется жидкая фаза:

Жа в б Жа (ост) .

Винтервале температур 2 – 3 из оставшейся жидкой фазы выделяются кристаллы α. Полное затвердевание сплава произойдет в точке 3, причем,

структура сплава будет однофазная и трудно отличить кристаллы α,

51

образовавшиеся при перитектической реакции, от кристаллов α,

образовавшихся непосредственным выделением из жидкого раствора.

Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью

растворимы в жидком состоянии и образуют устойчивые промежуточные

фазы (рис. 1.27).

При химическом составе сплава, отвечающем составу точки D', (рис.

1.27,а) в сплаве образуется промежуточная фаза, состав которой обозначен

АтВn. Фаза устойчива, так как сохраняется при нагреве до температуры плавления, обозначенной точкой D. Диаграммы состояния этой фазы с чистыми компонентами А и В можно рассматривать независимо. На рис. 1.27,б

приведена диаграмма состояния сплавов, в которых промежуточная β – фаза имеет переменный состав.

Рис. 1.27. Диаграммы состояния составов, компоненты которых образуют устойчивые промежуточные фазы: а — постоянного состава; б — переменного

состава

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью

растворимы в жидком состоянии и образуют неустойчивые

промежуточные фазы (рис. 1.28). Промежуточная фаза АтВn возникает в результате перитектической реакции при температуре, соответствующей линии

абв. Для сплава перитектического состава (сплав /) реакция идет по формуле:

52

Жа + В → АтВn.

При нагреве эта фаза исчезает раньше, чем сплав полностью расплавится.

Она исчезнет при температуре точки б, а сплав расплавится при температуре точки 1.

В заперитектических сплавах (Сплав //) реакция закончится образованием механической смеси АтВn + В.

Кристаллизация доперитектического сплава (сплав ///) закончится в точке 3

образованием эвтектики (А + АтВn). Структурно свободные кристаллы АтВn

частично образуются при перитектической реакции, а частично непосредственным выделением из жидкого сплава в интервале температур 2 –

3.

Рис. 1.28. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют неустойчивые промежуточные фазы

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии (рис. 1.29 и 1.30).

Сплавы такого типа представляют большой практический интерес, так как наличие превращений в твердом состоянии дает возможность изменять структуру и, следовательно, свойства термической обработкой.

53

Превращения в твердом состоянии вызваны полиморфизмом одного из компонентов (рис. 1.29). Сплав I после полного затвердевания при температуре точки 2 в твердом состоянии в интервале температур точек 3 – 4 меняет свою кристаллическую структуру. Это вызвано полиморфизмом компонента А,

который до температуры точки G имеет тип кристаллической решетки Аα, а при температуре более высокой – Aγ.

Причем, кристаллическая решетка Аγ такая же, как у компонента В, в

результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых растворов γ.

Рис. 1.29. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов

В сплавах, состав которых лежит между точками а и б, превращение γ → α

при охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным α + γ. Сплавы,

состав которых лежит правее точки б, в твердом состоянии превращений не имеют, структура у них однофазная – γ.

54

Рис. 1.30. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной и переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Превращения в твердом состоянии вызваны переменной растворимостью твердых растворов. Одна из возможных в этом случае диаграмм состояний показана на рис. 1.30. Принципиальное отличие этого типа диаграммы от диаграммы, показанной на рис. 1.22, в том, что твердые растворы α и β являются твердыми растворами не только ограниченной, но и переменной растворимости.

Линии ЕР и FK – это линии растворимости, которые определяют равновесное содержание растворенного компонента при заданной температуре.

В частности, максимальное содержание компонента В в α – фазе определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р, поэтому в сплаве I, после полного затвердевания (точка 2) при дальнейшем охлаждении,

начиная с температуры точки 3 из α – фазы будет выделяться избыток компонента В виде вторичных кристаллов β – фазы, богатой компонентом В.

Конечная структура сплава будет α + βII.

Вторичные кристаллы обычно имеют небольшие размеры (округлой,

пластинчатой или игольчатой формы) и могут выделяться либо по границам кристаллов, либо по всему объему кристаллов α – фазы. Максимальное количество кристаллов β – фазы выделяется в сплаве состава точки Е.

55

Для сплава II характер превращений тот же, с той разницей, что в интервале температур 1 – 2 кристаллизуется β – фаза, а в интервале температур точек 3 – 4 из нее выделяются вторичные кристаллы α – фазы состава точки р.

Максимальное количество таких кристаллов выделяется в сплаве состава точки

F.

В эвтектическом сплаве в точке С ЖС превращается в эвтектику (αЕ + βЕ).

При охлаждении в интервале температур ниже точки С состав α – фазы изменяется по линии ЕР, в результате чего выделяются вторичные кристаллы β,

а состав β – фазы изменяется по линии FK; выделяются вторичные кристаллы

α. При комнатной температуре состав эвтектики в сплаве будет иметь четыре слагаемых: эвтектика (αр + βКII + βК + αрII).

В структуре доэвтектических сплавов (сплав IV) помимо такой эвтектики будут кристаллы αр, выделившиеся в интервале температур точек 1 – 2 и

вторичные кристаллы βII, выделившиеся при температуре ниже точки C:

αр + βКII + эвтектика (αр + βКII + βК + αрII).

Для сплавов заэвтектических (сплав V) помимо эвтектики в структуре сплава будут кристаллы βК и αрII: т. е. βК + αрII + эвтектика (αр + βКII + βК + αрII).

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от того,

какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризуют взаимодействие компонентов и показывают, какая структура образуется в зависимости от состава сплава. Следовательно, существует связь между свойствами и диаграммами состояний. При этом вы должны знать, что в связи с большим многообразием диаграмм состояния они были классифицированы:

-диаграмма состояния сплавов (I рода), компоненты которой образуют механическую смесь (рис. 1.31,а);

-диаграмма состояния сплавов (II рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (рис. 1.31,б);

56

- диаграмма состояния сплавов (III рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом (рис.

1.31,в);

- диаграмма состояния сплавов (IV рода), компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (рис. 1.31,г).

а б в г

Рис. 1.31. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойствами

Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм состояния впервые установил академик И. С. Курнаков. Построенные им диаграммы состав-свойство широко используются на практике. Твердость (НВ),

электрические и другие физические характеристики сплавов, затвердевающих согласно диаграмме состояния, компоненты которых не растворимы в твердом состоянии, изменяются по закону прямой линии (рис. 1.31,а).

Если в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1.31,б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образования химического соединения свойства изменяются в соответствии с

57

принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу

(рис. 1.31, в и г).

1.3. Черные металлы и сплавы на их основе

Диаграмма состояния железо-цементит (Fe – Fe3C)

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов,

является железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, α

– железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).

Рис. 1.32. Микроструктура: а — феррит, X 200; б — аустенит, X 500;

в — цементит (в виде сетки), X 500

Твердый раствор углерода и других элементов в α – железе называется

ферритом. Структура феррита показана на рис. 1.32,а. Феррит имеет низкую твердость и прочность: 80 НВ; σв=250 МПа (25 кгс/мм2) и высокую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита,

хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется,

прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластичнее.

58

В значительно больших количествах растворяет углерод γ – железо (до

2,14 % при температуре 1147°С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ – железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис.

1.32, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твердость его составляет 160 – 200

НВ.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3C,

называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую,

пластичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом исследовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 1.32, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.

Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (Fe – Fe3C)

Диаграмма состояния Fe – Fe3C приведена на рис. 1.33. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа,

а точка D (≈1600°С) – температуре плавления (затвердевания) цементита.

Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF – это линия солидуса,

показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии

АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD –

цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре

1147°С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно

59

кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику,

называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС

(1147°С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147°С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до

6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита.

Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС,

имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита

(первичного).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура,

называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами.

Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

60