3. Зв’язок діаграм стану з властивостями сплавів

Зв’язок між властивостями сплавів і типом діаграми встановлюється основними положеннями фізико-хімічного закону М. С. Курнакова. Згідно з цим законом існує відповідність між фазовим станом сплавів після кристалізації за характером зміни властивостей. Так, при утворенні необмежених твердих розчинів (рис. 2.4 б) властивості змінюються по криволінійному закону з максимумом або мінімумом. При утворенні механічної суміші (рис. 2.4 а) властивості змінюються по адитивному закону. Для сплавів, які розчиняються обмежено і утворюють евтектику (рис. 2.4 в), характер зміни властивостей у відповідності з фазовим станом у різних частинах діаграми має криволінійний і адитивний закони. В разі утворення при кристалізації хімічної сполуки (рис. 2.4 г) її складу відповідає максимум чи мінімум на графіках зміни властивостей.

Оскільки структура сплаву визначає його механічні та технологічні властивості, знання діаграми стану полегшує вибір конструкційного матеріалу для виконання конкретних деталей і допомагає застосувати раціональні методи їх обробки.

Беручи за основу діаграму стану можливо досить легко вирішити такі практичні задачі, як підбір сплавів для виготовлення деталей методом лиття чи штампування, визначити зварюваність матеріалів і т. ін..

Діаграми стану можуть бути також використані при виборі режимів термічної обробки.

Тема 3. Структура основних промислових сплавів

1. Залізовуглецеві сплави.

2. Структура сталей.

3. Структура чавунів.

1. Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави – сталі і чавуни – є найбільш розповсюдженими у сучасній промисловості. У рівноважному стані структури цих сплавів визначаються вмістом вуглецю та температурою і можуть бути описані діаграмою стану.

Довідка

Залізо (Fe) знаходиться у періодичній системі елементів в VI періоді, у восьмій групі під номером 26. Розповсюдженість у земній корі – 5,1 %. Перехідний метал. Температура плавлення чистого заліза (99,992 %) дорівнює 1539 °С, кипіння – 3200 °С. густина заліза – 7,874 г/см³, атомна маса – 55,85. Твердість технічного заліза близько 80 НВ, міцність σ_В – 250 МПа. Залізо – пластичний метал.

Перетворення у твердому стані, що відбуваються у сплавах системи Fe-C, обумовлені поліморфізмом заліза. (в результаті поліморфного перетворення атоми кристалічного тіла, що мають решітку одного типу, перебудовуються таким чином, що утворюється кристалічна решітка іншого типу).

Залізо має поліморфні перетворення при 911 та 1392 °С. нижче температури 911 °С залізо має об’ємноцентровану кубічну решітку (ОЦК) і існує в α модифікації (Fe_α).

В інтервалі температур 911 – 1392 °С залізу притаманна гранецентрована кубічна решітка (ГЦК) і воно існує у γ модифікації (Fe_γ).

При температурі 1392 °С відбувається γ → α перетворення. Високотемпературна модифікація α-заліза називається δ-залізом.

Схема структурних перетворень заліза

Температура, °С	модифікація	позначення	структура решітки
до 911	α	Feα	ОЦК
911 – 1392	γ	Feγ	ГЦК
вище 1392	α	Feδ	ОЦК

У твердому стані залізо з вуглецем утворює три фази: ферит, аустеніт, цементит.

Ферит – твердий розчин вуглецю в Fe_α. Розчинність вуглецю в Fe_α невелика і складає 0,025 % при температурі 727 °С. із пониженням температури розчинність вуглецю в Fe_α зменшується і при кімнатній температурі складає 0,006 %. Ферит – твердий розчин проникнення обмеженої розчинності.

Аустеніт – твердий розчин вуглецю в Fe_γ. Максимальна розчинність вуглецю в Fe_γ при температурі 1147 °С складає 2,14 %. Із пониженням температури розчинність вуглецю зменшується і при 727 °С складає 0,8 %. Аустеніт – твердий розчин проникнення обмеженої розчинності.

Довідка

Аустеніт отримав назву на честь англійського металурга W. Roberts Austen (1843 – 1902 р.р.)

Цементит – хімічна сполука Fe₃C (карбід заліза). При концентрації вуглецю 6,67 % залізо вступає в хімічну реакцію і утворюється Fe₃C:

3Fe+C= Fe₃C.

Властивості: ферит – м’який і пластичний, цементит – твердий і крихкий.

Три фази сплаву заліза з вуглецем

Фаза	Позначення	Вміст С, %	Температура, °С	Структура
Ферит	Feα	0,025-0,006	727-кімн.	твердий розчин обмеженої розчинності
Аустеніт	Feγ	2,14-0,8	1147-727	твердий розчин обмеженої розчинності
Цементит	Fe3C	6,67	1260-кімн.	хімічна сполука

Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю ≤ 2,14 % називаються сталями. Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю > 2,14 % називаються чавунами.