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.