4.3. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов

Рис.4.3. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов: а – сплавы с неограниченной растворимостью, б – сплавы с эвтектикой, в – сплавы с химическим соединением

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. 4.3а). Свойства смесей (эвтектик, эвтектоидов) изменяются по линейной зависимости (Рис. 4.3б). 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. 4.3в).

Глава 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 – Fe₃С (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Т_пл=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

5.2. Диаграмма состояния железо-цементит

В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe₃C. Диаграмма Fe-Fe₃C соответствует метастабильному равновесию системы железо-углерод.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А₄) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Превращения при охлаждении сплавов:

1. Кристаллизация начинается по линии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD – кристаллы первичного цементита Ц_I. Кристаллизация заканчивается на линии солидус AJECF.

2. Эвтектическое превращение. На линии ECF (1147°C) в точке С жидкая фаза кристаллизуется в эвтектику ледебурит – смесь двух твердых фаз, аустенита и цементита

Ж_4,3%С→А_2,14%С + Ц_6,67%С. – ледебурит

Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называют доэвтектическими, их структура – аустенит+ледебурит. При содержании С > 4,3% – заэвтектическими со структурой ледебурит+цементит первичный.

14