Глава 3 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Назад: 3.2 Дефекты кристаллической решетки металлов.

3.3 Диаграммы состояния металлических сплавов

Процессы кристаллизации металлических сплавов и связанные с ними закономерности образования структуры описывают, как известно [1], с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового или структурного состава всех сплавов данной системы, находящихся в равновесном (неизменном) состоянии при данной температуре и концентрации компонентов. Обычно их строят для двойных, реже тройных и многокомпонентных систем сплавов. С помощью диаграмм состояния определяют температуры плавления и кристаллизации сплавов, полиморфных и других превращений в сплавах, природу фаз и их количественное соотношение в системе, что позволяет судить о механических и технологических свойствах сплавов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или достаточно близких к ним, т.е. при весьма малых скоростях нагрева и охлаждения сплавов.

В большинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т.е. в таком, когда они обладают ограниченной устойчивостью в данных условиях и под влиянием внешних воздействий (например, нагрева) переходят в более устойчивые состояния с минимумом свободной энергии системы (например, переход металла в жидкое состояние при нагреве).

Диаграммы состояния сплавов различаются в зависимости от степени взаимной растворимости компонентов, способности образовывать твердые растворы, химические соединения или претерпевать полиморфные превращения. Подробный их анализ приведен в работе. [3]

Представляет особый интерес диаграмма состояния сплава, один из компонентов которого обладает полиморфными превращениями, вызывающими скачкообразное изменение растворимости другого компонента в твердом состоянии. Примером такого сплава, имеющего большое практическое значение, является сплав железа с углеродом (рис. 3.8) .

Рис. 3.8 – Диаграмма состояния сплава железо-углерод (цементит)

Основным компонентом сплава железо-углерод (железо-цементит) является железо. В твердом состоянии оно имеет две полиморфные модификации – и . Модификация Fe (ОЦК) устойчива при температурах ниже 910 ⁰С и выше 1392 ⁰С. Высокотемпературную модификацию -железа нередко обозначают как Fe. Модификация Fe (ГЦК) существует при температурах 910...1392 ⁰С. Критическую температуру превращения при нагреве обозначают Ас₃, а при охлаждении Аr₃. Критическую температуру превращения при Т=1392 ⁰С обозначают А_С4(Аr₄). Температура магнитного превращения обозначается как Ас₂.

Другим компонентом системы является углерод. В зависимости от содержания углерода и температуры в сплаве железо-углерод наблюдаются как однофазные структурные образования – жидкий раствор углерода в железе, твердые растворы углерода в железе – феррит и аустенит, химическое соединение железа с углеродом – цементит, так и двухфазные структурные составляющие – перлит и ледебурит. Их состав, характеристики и свойства изучались в курсе «Материаловедение» и подробно изложен в литературе [1], а сокращенные названия фаз обозначены на диаграмме (рис. 3.8).

Диаграмму Fe-C можно разделить на две части вертикальной линией, проходящей через точку Е. Сплавы, расположенные слева от точки Е, характеризуются тем, что при затвердевании от точки плавления образуют структуру твердого раствора углерода в -железе, т.е. аустенита. Эти сплавы называются сталями. Справа от точки Е кристаллизация сплава заканчивается образованием эвтектики, называемой ледебуритом. Это область чугунов.

Фазовые превращения в стали при охлаждении удобнее рассматривать с точки, в которой содержится углерода 0,81 %, т.е. по вертикали 1-2-S-0,81. В интервале температур от точки 1 до точки 2 сплав будет двухфазным: жидкость + аустенит. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки S отмечается область устойчивого существования аустенита, а в точке S происходит распад аустенита с образованием вторичного цементита:

Fe( C) Fe( C) + Fe₃C.

Продуктом распада является феррито-цементитная смесь, содержащая 0,81 % углерода и названное перлитом, само превращение называется эвтектоидным, а сталь – перлитной. Температура эвтектоидного превращения обозначается как Ас₁. Процесс кристаллизации и превращения в сталях, содержащих больше или меньше 0,81 % углерода идет аналогично (по линиям SE и SG). В связи с этим стали делят на доэвтектоидные (С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные (С > 0,8 %), а чугуны соответственно делятся на доэвтектические (С < 4,3 %), эвтектические (С = 4,3 %) и заэвтектические (С > 4,3 %).

Как видно из рис. 3.8, структура большинства доэвтектоидных сталей после медленного охлаждения состоит из двух фаз – феррита и перлита. С увеличением количества углерода уменьшается количество феррита и возрастает количество перлита т.е. фактически растет количество цементита. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации и, кроме этого, уменьшают пластичность и вязкость. В частности, отмечается [3], что каждые 0,1 % С повышает температуру порога хладноломкости Т_кр в среднем на 20 % и расширяют интервал перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Углерод также оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением, резанием, о чем будет подробнее указано ниже.

Учитывая, что любая сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим кроме углерода и ряд других элементов (Mn, Si, S, P), кратко обозначим влияние этих элементов на свойства сплава.

Кремний и марганец, содержащиеся в качестве компонентов (Mn 0,5...0,8 %, Si 0,35...0,4 %), переходящих в сталь в процессе раскисления, упрочняют феррит, несколько снижая пластичность, а марганец, понижает красноломкость стали.

Сера образует эвтектику (Fe+FeS) с Т_пл = 988 ⁰С, которая, расплавляясь при прокатке, ковке (Т = 1000...1200 ⁰С) и сварке нарушает связь между зернами и способствует образованию надрывов и трещин (красноломкость). Одновременно сера снижает –1, , свариваемость и коррозионную стойкость. Ее содержание ограничивается в пределах 0,03...0,06 %.

Фосфор, повышает жидкотекучесть, но охрупчивает сталь и уменьшает пластичность и вязкость. Его содержание ограничивается в пределах 0,025...0,08 %.

Азот, кислород и водород присутствуют в стали как в газообразном виде (в раковинах, порах, микротрещинах и т.п.), так и в виде твердых растворов внедрения и хрупких неметаллических включений FeO, SiO₂, Fe₂N, Al₂O₃ и т.д. Неметаллические включения, располагаясь по границам зерен, снижают ударную вязкость и предел выносливости стали. Водород, накапливаясь в микропустотах, вызывает появление пор и часто способствует образованию «замедленных» трещин.

В условиях неравновесного (ускоренного) охлаждения, характерного для процессов сварки, ковки, прокатки, как правило, образуются пересыщенные твердые растворы углерода, кислорода и азота в железе. Постепенное выделение O₂ и N₂ из пересыщенных растворов при нормальной или повышенной рабочей температурах приводит к изменению свойств сталей. Этот процесс называется термическим старением. Как правило, оно повышает прочность стали и снижает ударную вязкость, повышая порог хладноломкости. Старение возможно и после холодной пластической деформации (если она проводится ниже температуры рекристаллизации). Такой процесс называется деформационным старением.

Таким образом, диаграмма состояния сплавов железо-углерод позволяет качественно оценить изменения структуры и свойств стали при технологических воздействиях, связанных с нагревом, охлаждением или деформацией.

Далее: глава 4 ЛЕГИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ