Промышленные сплавы. Диаграмма состояния сплава "железо-углерод

В промышленности чистые металлы используются в ограниченных количествах. Это объясняется трудностью получения чистых веществ, а также низкими эксплуатационными свойствами чистых металлов. Поэтому в машиностроении главным образом используются сплавы.

Сплавы - это сложные металлы, представляющие собой сочетания простых веществ, называемых в этом случае компонентами. В качестве компонентов могут быть металлы и неметаллы. Кроне основных компонентов в сплаве могут присутствовать и примеси: полезные - улучшающие свойства сплава и вредные - ухудшающие эти свойства. Случайными называются примеси, попадающие в сплав случайно при его приготовлении, специальными называются примеси, которые вводятся специально для придания сплаву требуемых свойств.

Сплавы можно получить несколькимиспособами:

– сплавлением компонентов в жидком состоянии;

– спеканием компонентов методом порошковой металлургии;

– осаждением нескольких компонентов при электролизе водных растворов;

– конденсацией из парообразного состояния.

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла и зависит от взаимодействия его компонентов при кристаллизации. В зависимости от природы исходных компонентов могут образовываться следующие виды сплавови их совокупности:

– химическое соединение компонентов;

– твердый раствор компонентов;

– механическая смесь компонентов.

Химическое соединение образуется при сплавлении компонентов, вступающих в химическую реакцию при строго определенном количественном соотношении. При этом образуется совершенно новая кристаллическая решетка.

Твердые растворы - это твердые фазы, включающие в различных соотношениях атомы разных элементов в одной кристаллической решетке, при этом в кристаллической решетке основного компонента происходит замещение отдельных атомовна атомы другого компонента.

Механические смеси образуются в том случае, когда в процессе кристаллизации отсутствует взаимодействие между компонентами, т.е. нет взаимного растворения и нет химических соединений. Компоненты в механической смеси имеют собственные кристаллические решетки.

Все превращения, которые происходят в сплавахи их состояние в зависимости от концентрации и температуры, изображают в виде диаграмм состояния.

Диаграммы состояния сплавов, которые содержат более двух компонентов, очень сложны, поэтому мы рассмотрим диаграмму сплава, состоящего из двух компонентов - железа и углерода (рис. 7). Впервые эту диаграмму построил Дмитрий Константинович Чернов, открывший в 1866 г. - критические точки состояния сплава.

Оба элемента (железо и углерод) обладают аллотропией, поэтому в зависимости от температуры и концентрации они могут образовывать между собой различныехимические соединения, твердые растворыи механические смеси.

Сплавы железа с углеродом делятся на стали (содержание углерода до 2, 14 процента) и чугуны (содержание углерода от 2, 14 процента до 6, 67 процента).

Линии диаграммы соответствуют фазовым превращениям. Фаза - однородная часть сплава, ограниченная от других частей поверхностью раздела.

Линия ACD - линия ликвидуса (от латинского ликвид - жидкий) - это линия начала первичной кристаллизации сплава. Выше этой линии железоуглеродистый сплав любой концентрации находится в жидком состоянии.

ЛинияАЕСF - линия солидуса (от латинского солид - твердый) — линия конца первичной кристаллизации. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями солидуса и ликвидуса сплавы имеют жидкотвердое (двухфазное) состояние.

ЛинияGSЕСF- линия начала вторичной кристаллизации сплавов в твердом состоянии.

ЛинияРК - конец вторичной кристаллизации сплавов.

В железоугдеродистых сплавах образуются следующие структурные составляющие:

1. Аустенит - твердый раствор углерода в γ -железе;

2. Феррит - твердый раствор углеродав α -железе;

3. Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (содержит 6, 67 процентов углерода);

4. Перлит - механическая смесь феррита и цементита, которая образуется из аустенита при вторичной кристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0, 8 процента углерода;

5. Ледебурит - механическая смесь аустенита и первичного цементита, которая содержит 4, 3 процента углерода.

Эвтектика - механическая смесь одновременно кристаллизирующихся компонентов.

Сталь с содержанием углерода 0, 8 процента называется эвтектоидной, структура которой - перлит. Стали при содержании углерода менее 0, 8 процента называются диэвтектоидными, при более 0, 8 процента углерода - заэвтектоидными. Соответственно чугун с содержанием углерода 4, 3 процента - эвтектоидный; 2, 14 < С < 4, 35% - доэвтектоидный; 4, 3< С< 6, 67% - заэвтектоидный.

Критические точки диаграммы состояниясплава " железо-углерод";

А - температура плавления чистого железа (1539°С);

D - температура плавления цементитаFe₃C (1550°С);

G - температура аллотропического превращения Fe_γ Fe_β

E - характеризует предельную растворимость углерода вFe_γ (2, 14% углерода при Т = 1130°С);

С - центр первичной кристаллизации;

S - центр вторичной кристаллизации.

Диаграммы состояния имеют большое практическоезначение. Имипользуются как руководящим материалом дляназначения режимов; 1) при различных видах термической обработки для определения температуры нагрева, скорости охлаждения, охлаждающей среды и т.п.; 2) при определении температурных интервалов для горячей обработки металлов (ковке, штамповке, прокатке); 3) для определения температур плавления и кристаллизации в литейном и металлургическом производствах.