Диаграмма состояния III типа

По этому типу диаграмм затвердевают сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограниченно – в твердом (рис. 9). Например, диаграмма состояния сплавов Fe – Fe C.

Рассмотрим принципы построения диаграммы состояния I типа на примере сплава Pb – Sb (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма состояния I типа (Pb – Sb)

Изготавливают серию сплавов Pb – Sb разного состава и снимают кривые охлаждения или нагревания. На кривых охлаждения чистых свинца и сурьмы - металлов, отражающих изменение их температуры во времени, имеется по одной критической точке, соответствующей переходу металла из жидкого состояния в твердое ( для свинца – 327 С и для сурьмы 631 С). Ниже этих температур свинец и сурьма находятся в твердом состоянии. На кривых же охлаждения сплавов свинец-сурьма имеются не одна, а две критические точки, соответствующие началу и концу их затвердевания.

Затвердевание сплавов свинец-сурьма, содержащих менее 13% сурьмы, начинается при температурах, соответствующих верхним критическим точкам с выпадением кристаллов свинца. При дальнейшем понижении температуры количество кристаллов свинца увеличивается и остающаяся жидкость обогащается сурьмой. При температуре 245 С, соответствующей нижним критическим точкам, концентрация сурьмы в жидкости достигает 13 %, и в этих условиях при дальнейшем охлаждении начинается одновременная кристаллизация свинца и сурьмы с образованием сложной структурной составляющей сплавов - эвтектики.

Эвтектика представляет собой смесь двух фаз, образующихся в результате одновременной кристаллизации из жидкого раствора. В данном случае это механическая смесь из мелких равномерно распределенных кристаллов свинца и сурьмы.

На кривой охлаждения сплава, содержащего 13% сурьмы, имеется только одна критическая точка, соответствующая температуре 245 С. Такой сплав после затвердевания состоит только из одной эвтектики.

Затвердевание сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинается с выпадения кристаллов сурьмы, и при достижении концентрации сурьмы в жидкости, равной 13%, жидкость затвердевает, образуя эвтектику.

Чтобы построить диаграмму состояния сплавов, верхние и нижние критические точки переносят на координатные оси температура – состав сплава, как это показано на рисунке 7.

Линия АСВ, представляющая геометрическое место критических точек начала затвердевания (кристаллизации), называется линией ликвидуса («ликва» по латыни означает жидкий). Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия ДСЕ, представляющая собой геометрическое место критических точек конца затвердевания (кристаллизации), называется линией солидуса («солид» – твердый). Ниже этой линии солидуса сплавы находятся в твердом состоянии.

Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, называются доэвтектическими. В интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса они состоят из кристаллов свинца и жидкости, а ниже линии солидуса, т.е. в твердом состоянии – из кристаллов свинца и эвтектики.

Сплавы, содержащие больше 13% сурьмы, называются заэвтектическими и состоят из кристаллов сурьмы и жидкости между линиями ликвидуса и солидуса и из кристаллов сурьмы и эвтектики ниже линии солидуса.

Рассмотрим диаграмму состояния II типа на примере сплава Ni-Cu.

Оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Вследствие этого компоненты неограниченно растворимы друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях.

Особенностью диаграмм состояний II типа является отсутствие эвтектического сплава (рис. 8). Диаграмма состояния Ni-Cu имеет простой вид и состоит из двух линий – ликвидуса и солидуса, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов (1084 С у меди и 1461 С у никеля). Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур. Например, сплав, состоящий из 60%Ni и 40%Cu, затвердевает в интервале температур (1280-1170) С.

Рис. 8. Диаграмма состояния II типа (Ni – Cu)

Рассмотрим диаграмму состояния III типа на примере сплава железа с углеродом Fe -Fe C.

Рис. 9. Диаграмма состояния сплава железа с углеродом Fe -Fe C

Железо с углеродом образует химическое соединение карбид железа Fe C, называемое цементитом. На диаграмме состояния (рис. 9) рассмотрены превращения в сплавах с концентрацией углерода от 0 до 6,67%, т.е. от чистого железа до чистого цементита.

Все железоуглеродистые подразделяют на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны, содержащие более 2,14% углерода. Затвердевание сталей происходит в интервале температур, ограниченных линией ликвидуса AC и линией солидуса AE; при этом из жидкости кристаллизуется аустенит, т.е. твердый раствор внедрения углерода в γ-модификации железа. Он имеет ГЦК решетку.

Чугун, содержащий 4,3% углерода, затвердевает при постоянной температуре (несколько ниже 1147 С) с образованием эвтектики, состоящей из предельно насыщенного углеродом аустенита (2,14%) и цементита. Такой чугун называется эвтектическим, а соответствующая ему структура – эвтектическая смесь аустенита и цементита – ледебуритом.

Затвердевание доэвтектических чугунов, содержащих от 2,14% до 4,3% углерода, начинается ниже линии ликвидуса АС с кристаллизации аустенита. По мере кристаллизации аустенита жидкий раствор обогащается углеродом и при температуре 1147 С, когда концентрация углерода достигнет 4,3%, затвердевание доэвтектических чугунов заканчивается на прямолинейном участке линии солидуса ЕС одновременной кристаллизацией аустенита и цементита с образованием ледебурита.

Затвердевание заэвтектических чугунов, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, начинается на линии ликвидуса CD кристаллизацией из жидкого сплава тонких пластинчатых кристаллов первичного цементита; при этом с понижением температуры состав жидкости меняется – уменьшается содержание углерода по линии ликвидуса DC. При температуре 1147 С концентрация углерода в жидком сплаве достигнет 4,3%, и он затвердевает с образованием эвтектики – ледебурита.

Дальнейшие превращения в железоуглеродистых сплавах ниже линии солидуса AECF, т.е. когда сплавы находятся в твердом состоянии, обусловлены полиморфизмом железа и изменением растворимости углерода в γ-железе и ά-железе при понижении температуры.

Структура сталей в равновесном состоянии

При температуре 910 С γ-модификация железа должна переходить в ά-модификацию, однако наличие углерода в кристаллической решетке γ-железа расширяет область ее устойчивости и аустенит сохраняется при температуре ниже 910 С. Наименьшая температура, при которой в условиях медленного охлаждения еще сохраняется аустенит, равна 727 С, причем в аустените содержится 0,8% углерода. При дальнейшем охлаждении происходит распад твердого раствора с образованием феррита и цементита.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в ά-моди-фикацию железа. Кристаллическая решетка феррита – объемно-центрированная кубическая (ОЦК).

Продукт распада аустенита, содержащего 0,8% углерода, называется перлитом и представляет собой равномерную дисперсную смесь феррита с цементитом. Перлит чаще всего имеет пластинчатое и реже зернистое строение. По своей структуре (равномерное распределение одной фазы в другой) перлит напоминает эвтектику, но в отличие от эвтектики, образующейся при затвердевании жидкости, перлит получается при распаде твердого раствора и поэтому называется эвтектоидом.

Стали с содержанием углерода 0,8% называются эвтектоидными; стали, содержащие до 0,8% углерода, – доэвтектоидными; стали, содержащие более 0,8% углерода, – заэвтектоидными.

Линия GS на диаграмме состояний железоуглеродистых сплавов есть геометрическое место критических точек начала образования феррита вследствие перекристаллизации γ-модификация железа в ά-модификацию. Чем больше углерода содержит аустенит, тем при более низкой температуре начинаются эти превращения при охлаждении доэвтектоидных сталей. За счет образования феррита оставшийся аустенит обогащается углеродом, и его состав по мере понижения температуры изменяется по линии GS. При температуре 727 С аустенит содержит 0,8% углерода и при дальнейшем охлаждении распадается, образуя перлит.

Линия PK на диаграмме состояний есть геометрическое место критических точек распада аустенита с образованием перлита и называется линией перлитовых превращений. При температуре ниже линии PK доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита.

При охлаждении заэвтектоидных сталей по линии ES из твердого раствора аустенита выделяется цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-модификация железа с понижением температуры. Чтобы отличить цементит, образующийся из жидкого раствора при затвердевании сплавов, содержащих более 4,3% углерода, от цементита, образующегося при охлаждении аустенита с содержанием углерода более 0,8%, принято первый цементит называть первичным, второй – вторичным. Вследствие выделения вторичного цементита уменьшается содержание углерода в оставшемся аустените. На линии перлитовых превращений аустенит содержит 0,8% углерода и при дальнейшем охлаждении распадается с образованием перлита. Следовательно, ниже линии PK в условиях медленного охлаждения стали состоят из следующих структурных составляющих: феррит + перлит (доэвтектоидные стали); перлит (эвтектоидная сталь); перлит + цементит вторичный (заэвтектоидная сталь).

Линия GPQ на диаграмме показывает изменение растворимости углерода в ά-модификации железа с понижением температуры, вследствие чего из феррита выделяется углерод, который химически взаимодействует с железом и образует цементит. Этот цементит называют третичным.