 |
Диаграмма состояния железо-углерод
|
|
|
|
Вопрос 17.
Диаграмма состояния системы с неограниченным растворением компонентов в твердом состоянии (1 тип). По этой диаграмме (рисунок 2.4) кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений. Примеры: вода и спирт, медь-никель и др.
В отличие от чистых металлов, их сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Это следует из правила фаз: К =2, Ф=2, и С=1. Различные сплавы системы имеют разную температуру начала и конца кристаллизации. Верхняя кривая - линия ликвидус, а нижняя кривая - линия солидус. Выше ликвидуса сплав находится в однофазном жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в однофазном твердом состоянии в виде твердого a -раствора. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии (жидкая фаза и кристаллы твердого a -раствора).
Рассмотрим процесс кристаллизации сплава состава Ао. Cплав выше температуры Т1 находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры Т1 из жидкого сплава начинает выпадать кристаллы твердого a-раствора. При этом состав первых кристаллов определится горизонтальной прямой, проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Линии, соединяющие составы фаз, находящиеся в равновесии при данной температуре, называют конодами. Конода позволяет определять концентрацию и количество сосуществующих фаз при данной температуре.
Точка a1 фиксирует концентрацию твердой фазы, а точка S1 - концентрацию жидкой фазы. При температуре Т2 состав твердой фазы соответствует точке a2, а жидкой фазы - S2. При температуре Т3, когда затвердевает последняя капля жидкого сплава, концентрация твердой фазы определяется точкой a3 на диаграмме состояния, а жидкой фазы - S3.
|
|
|
Структура любого сплава в этой системе представляет собой зерна твердого раствора и внешне не отличается от структуры чистого металла.
Рисунок 2.4. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях
Таким образом, состав фаз в процессе кристаллизации непрерывно изменяется: жидкой - по линии ликвидус, твердой - по линии солидус. Оси кристаллов, выросшие в первый момент кристаллизации, обычно обогащены тугоплавким компонентом, а междуосные пространства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким компонентом. Неоднородность отдельных кристаллов сплава по составу называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация может быть устранена последующим длительным нагревом.
По диаграмме состояния этого типа кристаллизуются сплавы Cu-Ni, Cu-Au, Ag-Au, Fe-Cr, Bi-Sb и др.
Диаграмма состояния с полной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью в твердом состояниях (2 тип). По этой диаграмме (рисунок 2.6) кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, образуют эвтектику и не образуют химических соединений. Рассмотрим это на примере системы свинец-олово.
Линия ликвидус состоит из двух ветвей. Выше ликвидуса сплав находится в жидком состоянии. Линия солидус состоит из трех частей: левая и правая ветви и эвтектическая горизонталь. Ниже солидуса сплав находится в твердом состоянии. По левой ветви ликвидуса кристаллизуются твердый a -раствор (олово в свинце), по правой - твердый b -раствор (свинец в олове). Под левой ветвью солидуса существует область твердого a -раствора, а под правой - твердого b -раствора. Взаимная растворимость свинца и олова в твердом состоянии ограничивается указанными областями, причем предельная растворимость олова в свинце равна 19%, а свинца в олове - 2,5%. С понижением температуры взаимная растворимость компонентов уменьшается. Линии, определяющие предельную растворимость компонентов друг в друге, называют сольвус. В сплавах, концентрации которых находятся под линиями сольвус, при температурах ниже сольвус выделяются вторичные фазы aII и bII. Все сплавы, концентрация которых находится в пределах 19% -97,5% олова находятся под эвтектической горизонталью и в структуре содержат эвтектику (Е)- смесь твердых растворов a+b концентрации 61,9% Sn. Эвтектический сплав концентрации 61,9% Sn кристаллизуется одновременным выделением двух твердых фаз: a-твердый раствор, состоящий из свинца и 19% олова и b-твердый раствор, состоящий из олова и 2,5% свинца. Эвтектическая реакция протекает по схеме:
|
|
|
Ж 61,9 Û a19 + b97,5,
то есть, в равновесии находятся три фазы: жидкая и две твердые. Число степеней свободы С=2-3+1=0, следовательно, сплав эвтектического состава кристаллизуется при постоянной температуре и при постоянном соотношении реагирующих фаз. На кривой охлаждения при температуре эвтектики (для данной системы 183оС) будет горизонтальная площадка.
Доэвтектические сплавы (19-61,9%) имеют структуру a +Е, заэвтектические сплавы (61,9 –97,5%) - b +Е.
Рисунок 2.6. Диаграмма состояния системы свинец-олово
Таким образом, в этой системе возможны 4 типа структур: 1) a или b-твердый раствор, 2) a или b-твердый раствор с частицами вторичных фаз aII или bII, 3) эвтектическая смесь Е (a+b), 4) первичные кристаллы a или b и эвтектика Е.
По диаграмме этого типа затвердевают также сплавы Cu-Ag, Сu-Р, Sn-Si, Al-Li и др.
Диаграмма состояния с образованием устойчивого химического соединения (3 тип). По этой диаграмме кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а при затвердевании образуют устойчивое химическое соединение.
Диаграмма состояния сплава магний-кальций приведена на рисунке 2.7. Линия СGHМ соответствует химическому соединению Мg4Са3 и разделяет диаграмму состояния на две части. Если условно химическое соединение принять за отдельный компонент системы, то диаграмму состояния можно разделить на две диаграммы: Мg - Мg4Са3 и Мg4Са3 - Са. Каждая из них представляет собой самостоятельную диаграмму состояния, которую можно анализировать отдельно.
|
|
|
По диаграмме состояния IV типа кристаллизуются сплавы Мg-Zn, Мg-Cu, Fe-Nb, Мg-Sn и др.
Рисунок 2.7. Диаграмма состояния системы Mg- Ca
Диаграмма состояния железо-углерод
Диаграмма железо- углерод, имеющая техническое применение, включает содержание углерода от 0 до 6,67% (Рисунок 2.9).
Рисунок 2.9. Диаграмма состояния железо-углерод
При содержании углерода 6,67% образуется химическое соединение Fe3C, называемый цементитом. Таким образом, рассматриваемая часть диаграммы железо- углерод представляет часть диаграммы между чистым компонентом А (Fe) и химическим соединением А3В (Fe3C). Диаграмма является двойственной: сплошные линии соответствуют метастабильной системе Fe- Fe3C, пунктирные линии изображают стабильную систему Fe - C. В области до 4,3% С различия граничных фазовых линий между метастабильной и стабильной системами незначительны. Однако при длительном температурном воздействии и при более высоком содержании углерода цементит имеет склонность к распаду на железо и графит. Графит и цементит могут, как часто наблюдается у чугуна, появляться рядом друг с другом.
|
|
|
