Полиморфные превращения

В соответствии с данной диаграммой состояния (рис. 3.7) ком-

поненты А и В в высокотемпературной области имеют одинаковый

тип кристаллической решетки и неограниченно растворимы друг

в друге, образуя твердые растворы .

В точках а и b происходит кристаллизация компонентов А и В

с кристаллическими решетками A и B соответственно. При темпе-

ратурах, соответствующих точкам с и d, происходит изменение кри-

сталлических решеток компонентов А и В и превращение их в моди-

фикации A и B. Соответственно новые образующиеся твердые

растворы B в A обозначим  и A в B – . Точка е показывает

максимальную растворимость компонента B в A, а точка k соот-

ветственно компонента A в B.

Вследствие полиморфных превращений компонентов А и В при

понижении температуры ниже линий cf и df начинается распад

- фазы с образованием -фазы для сплавов, расположенных левее

точки f, и -фазы, для сплавов, находящихся правее точки f. Для

сплавов состава левее точки e на линии ce процесс распада -фазы за-

канчивается и образуется однофазный -сплав. Аналогично, для

сплавов правее точки k ниже линии dk образуется однофазный

- сплав.

Состав -фазы при кристаллизации изменяется в соответствии

с линией ce, -фазы – с линией dk, а -фазы – с линией cfd. В точке f

возникает нонвариантное состояние, т. к. при распаде -фазы одно-

временно кристаллизуются две фазы  и , происходит эвтектоид-

ное превращение

17) Свойства сплавов в значительной степени определяются фазо-

вым составом, о котором можно судить по диаграммам состояния

1. При образовании твердых растворов свойства сплавов изменя-

ются по криволинейной зависимости, причем многие из них могут су-

щественно превосходить свойства исходных компонентов (в первую

очередь электросопротивление). Поэтому распад твердых растворов на

две и более фазы приводит к увеличению электропроводности.

2. При образовании механических смесей свойства сплавов из-

меняются по линейному закону (аддитивно). Значения свойств нахо-

дятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

3. В сплавах с ограниченной растворимостью при концентраци-

ях, cоответствующих однофазному твердому раствору, изменяются

свойства по криволинейному закону, а в двухфазной области – по ли-

нейному. Крайние точки на прямой соответствуют свойствам пре-

дельно насыщенных твердых растворов.

4. При образовании химических соединений на диаграмме кон-

центрация–свойства при соответствующей концентрации наблюдает-

ся перелом, т. к. химические соединения обладают индивидуальными

свойствами, отличными от свойств исходных составляющих.

18)

Диаграмма состояния Fe–Fe3C (рис. 4.2) характеризует фазовый

состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до

цементита, содержащего 6,67 % С. По оси абсцисс диаграмма имеет

две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количест-

во цементита

Точки А и D характеризуют температуру плавления железа

и цементита соответственно. Точки N и G – температуры полиморф-

ных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную

растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемператур-

ной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максималь-

ную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой.

Фазовые превращения в системе Fe–Fe3C происходят как при

затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом аг-

регатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях меж-

ду линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кри-

сталлизация в твердом агрегатном состоянии является следствием

полиморфного превращения железа и изменения растворимости угле-

рода в железе с изменением температуры.

На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава со-

ответственно на участке АВ – феррита (Ф), на участке ВС – аустени-

та (А) и на участке СD – цементита первичного (ЦI). На линиях АН

и JЕ завершается кристаллизация Ф и аустенита из жидкой фазы.

Для диаграммы Fe–Fe3C характерны три изотермических пре-

вращения:

– перитектическое на линии HJВ при температуре 1499 °С

ФН + ЖB АJ;

– эвтектическое на линии ECF при температуре 1147 °С

ЖC АE + ЦF;

– эвтектоидное на линии PSK при температуре 727 °С

19)

Диаграмма состояния железо–графит (Fe–C) называется диа-

граммой стабильного равновесия, т. к. при кристаллизации из жидкой

фазы на линии CD образуется стабильная модификация углерода –

графит. Образование графита может происходить также в результате

вторичных превращений и при распаде предварительно образовавше-

гося цементита. Процесс образования в системе графита называется

графитизацией.

Диаграмма стабильного равновесия системы Fe–C приведена на

рис. 4.6.

Для удобства сравнения диаграмма Fe–C, изображенная пунк-

тирными линиями, наложена на диаграмму Fe–Fe3C. На рис. 4.6 вид-

но, что в системе Fe–C происходит изменение точек эвтектического и

эвтектоидного превращений. Эвтектика образуется при температуре

1153 °С при содержании углерода в жидкой фазе 4,26 % и состоит из

аустенита и графита. В диапазоне температур 1153…738 °С вследст-

вие снижения растворимости углерода в -Fe образуется графит вто-

ричный. Максимальная растворимость углерода в -Fe в точке E' со-

ставляет 2,11 %. Эвтектоидное превращение в системе железо–графит

происходит при температуре 738 °С при содержании углерода в ау-

стените 0,7 %. Эвтектоид состоит из феррита и графита вторичного.

Кристаллы графита имеют форму лепестков, выходящих из од-

ного центра. При этом кристаллы вторичного графита выделяются на

лепестках первичного и эвтектического графита.

Кристаллизация в соответствии с диаграммой Fe–C возможна

лишь при весьма медленном охлаждении и при введении в железоуг-

леродистые сплавы графитизирующих добавок, в частности, кремния.

20) С увеличением количества углерода

увеличивается твердость, предел текучести, предел прочности сталей,

снижается пластичность, ударная вязкость, плотность

Пределы прочности и текучести возрастают при увеличении ко-

личества углерода в стали до 1,0 %, после чего начинается их сниже-

ние. Причиной этому является образование цементной сетки вокруг

зерен перлита.

Кремний дегазирует сталь, увеличивая плотность отливки,

растворяясь в феррите повышает предел текучести стали, снижает

способность к вытяжке и холодной высадке

Марганец связывает се-

ру, образуя сульфид марганца MnS в виде отдельных частиц. Раство-

ряясь в феррите, марганец повышает предел прочности, не снижая

пластичности, снижает склонность сталей к красноломкости, т. е.

хрупкости при повышенных температурах.

Сера и фосфор являются вредными примесями, попадающими

в стали из чугуна при их производстве. Сера, взаимодействуя с желе-

зом, образует сульфид железа FeS. Сульфидные включения сущест-

венно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость

и пластичность, а также предел выносливости сталей, ухудшают их

коррозийную стойкость и свариваемость.

Фосфор, соединяясь с железом, образует фосфиды железа Fe3P,

которые располагаются по границам зерен, повышая порог хладно-

ломкости и снижая коррозийную стойкость сталей. Фосфор, раство-

ряясь в феррите и аустените, искажает кристаллическую решетку, по-

нижает пластичность, ударную вязкость, увеличивая предел

прочности и предел текучести сталей

Азот и кислород, образуя соответственно нитриды и оксиды,

располагающиеся по границам зерен, снижают пластичность, удар-

ную вязкость, предел выносливости, повышают порог хладноломко-

сти, ухудшают обрабатываемость сталей методами пластического де-

формирования.

Водород охрупчивает сталь, способствует образованию флоке-

нов (трещин овальной формы), холодных трещин при сварке.

21Легирующие элементы вводятся в стали для управления процес-

сами кристаллизации, изменения физико-механических и технологи-

ческих свойств сплавов. При введении в стали легирующих элементов

они могут образовывать следующие фазы:

– твердые растворы;

– легированный цементит или собственные карбиды;

– интерметаллидные соединения.

Все легирующие элементы, за исключением углерода, водорода,

азота и бора (отчасти), образуют с железом твердые растворы заме-

щения. Растворяясь в железе, они влияют на положение характерных

точек на диаграмме состояния Fe–Fe3C, определяющих области суще-

ствования -Fe и -Fe, температур эвтектических и эвтектоидных

превращений.

вращений.

По влиянию на температурную область существования поли-

морфных модификаций железа легирующие элементы можно разде-

лить на две группы. К первой группе относятся элементы, понижаю-

щие точку А3 и повышающие точку А4. К таким элементам относятся:

никель, марганец, медь, кобальт, азот

Ко второй группе относятся легирующие элементы, понижаю-

щие точку А4 и повышающие точку А3. В эту группу входят: хром,

вольфрам, молибден, ванадий, кремний, алюминий и др

ытывают фазовых превращений при нагреве и охлаждении.

По отношению к углероду легирующие элементы можно разде-

лить на две группы:

– графитизирующие;

– карбидообразующие.

К первой группе относятся легирующие элементы: кремний, ни-

кель, медь, алюминий, кобальт, которые не образуют карбидов, а на-

ходятся в твердых растворах.

К карбидообразующим элементам относятся Fe, Mn, Cr, Mo, W,

V, Nb, Zr, Ti, которые приведены здесь по возрастающей степени

сродства к углероду и у

стойчивости карбидов.