4.2.2 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой

Компоненты образуют твердые растворы с ограниченной растворимостью: α – твердый раствор компонента В на базе кристаллической решетки компонента А, и β – твердый раствор компонента А на базе кристаллической решетки компонента В (рис.17). ACB – линия ликвидус. AECDB – линия солидус. Линии EF и DK – линии переменной растворимости. При охлаждении по линии EF из α-твердого раствора выделяются избыточные кристаллы βII компонента В, а по линии DK – избыточные кристаллы αII компонента А. В точке С кристаллизуется эвтектика. Эвтектика – смесь двух твердых фаз, образованная из жидкой фазы.

Жс → (α+β) – эвтектика.

Сплав с содержанием компонентов в точке С называют эвтектическим, сплавы левее точки С – доэвтектические, а правее – заэвтектические. Эвтектический сплав имеет наименьшую температуру плавления. Эвтектика кристаллизуется при постоянной температуре (как чистые металлы), остальные сплавы – в диапазоне температур. Сплавы с твердыми растворами ограниченной растворимости и эвтектикой имеют широкое применение (Al-Cu, Al-Si и др.).

Рис.17. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой.

4.3. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов

Свойства сплавов отличаются от свойств образующих их компонентов: твердость и твердость сплавов выше, а пластичность – ниже, чем у чистых металлов.

В твёрдых растворах с неограниченной растворимостью наибольшая твердость и прочность достигается при примерно равном соотношении компонентов (Рис. 18а). Свойства смесей (эвтектик, эвтектоидов) изменяются по линейной зависимости (Рис. 18б). В сплавах с химическими соединениями при концентрации компонентов, соответствующей этому соединению, наблюдаются максимально высокие твёрдость и прочность, хрупкость, высокая температура плавления и другие особые физические свойства (Рис. 18в).

а) б) в)

Рис.18. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов: а – сплавы с неограниченной растворимостью, б – сплавы с эвтектикой, в – сплавы с химическим соединением

5. Железо и сплавы на его основе

Основными сплавами на основе железа являются стали и чугуны – сплавы системы железо-углерод.

5.1. Компоненты и фазы в системе Fe-c

Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).

Углерод: элемент IV группы таблицы Д.И. Менделеева, с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.

Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.

Феррит – твердый раствор углерода в Feα.

Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.

Цементит – Fe3C (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Тпл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.

Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см3, решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах.