Краткие теоретические сведения

Диаграммы состояния представляет собой графическое изображение фазового состояние сплавов, в зависимости от температуры и концен­трации компонентов. Диаграммы достояния строят для условий равно­весия, т.е. такого состояние сплавов, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве.

К системе железоуглеродистых сплавов относятся стали и чугуны, для изучения которых в равновесном состоянии пользуются диаграм­мой состояния, приведенной на рисунке 3.

Диаграмма рассматривается только до содержания углерода 6,67 %, т.к. сплавы с большим содержанием углерода не имеют практического применения, вследствие высокой твердости и хрупкости.

Если основными компонентами диаграммы состояния являются железо и цементит (химическое соединение Fe3C) то такую диаграмму называют цементитной (метастабильной).

Правило фаз

Закономерность изменения числа фаз в диаграмме состояния же­лезо - цементит определяется правилом фаз.

Фазой называют физически и химически однородную часть сплава, которая отделена от других однородных частей сплава "поверхностью раздела".

Степенью свободы системы (сплава) называют возможность измене­ния температуры, давления или концентрации фаз без изменения чис­ла фаз.

Правилом фаз принято называть количественную зависимость между числом степеней свободы системы, числом компонентов и фаз:

С = К + 2 – Ф

где С - число степеней свободы; К – число компонентов образующих систему; Ф - число фаз; 2 - число внешних факторов.

За внешние факторы, влияющие на состояние сплава принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор - температуру, т.к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твердом и жидком состоянии.

 

Тогда уравнение примет следующий вид:

С = К + 1 – Ф

Число степеней свободы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом, т.е. С ≥ 0. Число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число ком­понентов плюс единица (Ф ≤ К + 1). Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в трой­ной - не более четырех и т.д.

Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз (Ф = 3), то число степеней равно нулю (С = 0). Такое равновесие называют нонвариантным. При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может су­ществовать только, в совершенно определенных условиях ; при посто­янной температуре и определенном числе всех находящихся в равновесии фаз (в данном случае Ф = 3). Это означает что превращение начинается и заканчивается при постоянной температуре. В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально воз­можного числа степеней свободы С = 1. Такую систему называют моновариантной. Если С = 2, система - бивариантна.

Равновесными фазами в системе железо - цементит являются:

феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), жидкость (Ж).

1. Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α-железе. Максимальное содержание углерода в феррите при температуре 727°С составляет 0,02 %. Феррит имеет незначительную твердость 60-100 НВ и прочность (σВ = 250 Н/мм2), но высокую пластичность (δ = 50 %)

2. Аустенит (А) - твердый раствор углерода в γ–железе. Максимальное содержание углерода в аустените при температуре 1147°С составляет 2,14 % и 0,8 % - при температуре 727°С. Аустенит имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба, немагнитен. Твердость аустенита 160 — 220 НВ, пластичность довольно высокая: δ = 40-50 %.

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с угле­родом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1250 °С. Цементит очень тверд (800 НВ), хрупок и практически не обладает пластич­ностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C = 3 Fe + C

4. Жидкость (Ж) - раствор углерода в жидком железе с неограниченной растворимостью.

Кроме вышеперечисленных равновесных фаз в системе железоуглеро­дистых сплавов присутствуют следующие структурные составляющие: графит, перлит, ледебурит.

5. Графит (Г) - это свободный углерод, мягкий (3 НВ), обладает низкой прочностью, в чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различной формы (пластинчатой, шаровидной, хлопьевидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

6. Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид), содержащая 0,8 % углерода. Перлит имеет предел проч­ности σВ = 800 Н/мм2 , относительное удлинение δ = 15 % и твердость 160 НВ.

7. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита первичного (эвтектика), содержащая 4,3 % углерода и образующаяся при кристаллизации жидкого расплава при температу­ре 1147 °С. В процессе дальнейшего охлаждения строение ледебурита меняется: при температуре 727 °С ледебурит состоит из перлита и цементита первичного. Ледебурит тверд (600 - 700 НВ) и очень хрупок.