Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение состояния сплава при изменении его состава, температуры, давления, концентрации элементов. Она показывает устойчивые состояния сплава, при которых компоненты и фазы обладают минимумом свободной энергии. Эти фазы называются равновесными фазами, вследствие чего и диаграммы называют диаграммами равновесия, то есть равновесные состояния- это устойчивые состояния вещества, обладающие минимумом свободной энергии.
Обычно для построения диаграммы состояния пользуются результатами термического анализа, те строят кривые охлаждения сплава.
Сплав нагревают выше температуры плавления и выше, затем охлаждают до 0. В процессе охлаждения с определёнными промежутками времени фиксируется температура сплава , изменяющаяся вместе с агрегатным состоянием. По полученным данным строим кривую охлаждения в координатах время-температура. Если взять сплавы с различным %-ым содержанием, то диаграмма состояния может быть построена в осях концентрация(х), температура(у)
Диаграмма состояния сплава при его кристаллизации показ изменение его состояния в зависимости от температуры и концентрации при постоянном давлении внешней среды.
Ликвидус (по латыни ликва-жидкий)- линия на графике, кот показывает температуру начала кристаллизации сплава.
Солидус ( солид-твёрдый)—точки графика, определяющие температуру конца кристаллизации.
Рассматривая охлаждение металла, отметим, что железо известно в таких модификациях, отличающихся видом кристаллической решётки:
1539°С- температура плавления чистого железа.
- При температуре ниже 1539 до 1392°С-α-железо, которое часто обозначаюткакδ-железо
1392°С-критическая точка превращения δ ↔ γ -железо (γ -железо-решётка гранецентрированный кубическая ГЦК)
- Ниже 1392 до 910°С устойчивым является γ -железо
910°С-критическая точка превращения γ ↔ α -железо
- При температуре ниже 910°С-α-железо
Эти данные для удобства запишем в таблицу №1
Таблица1.
| 1539°С | Температура плавления железа |
| 1539-1392°С | α-железо, часто обозначают как δ-железо |
| 1392°С | критическая точка превращения δ ↔ γ-железо |
| 1392-910°С | устойчивым является γ -железо |
| 910°С | критическая точка превращения γ ↔ α -железо |
| ниже 910°С | α-железо |
В системе Fe-Cв процессе охлаждения и кристаллизации различают следующие фазы:
- Жидкая фаза- однородный жидкий расплав
- Твёрдые фазы:
А)феррит- твёрдый раствор углерода и других примесей в α-железе. ( α-железо - до 910°С и выше 1392 (δ) ) Низкотемпературный α-феррит имеет растворимость углерода до 0,02% (предельная растворимость 0,02% при температуре727°С) и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% при 1499°С
Б) аустенит- твёрдый раствор углерода и других примесей в γ -железе (γ -железо от 910 до 1392 °С) При 1147°С аустенит содержит 2,14% С, при 727°С- около 0,8%
В) Цементит- химическое соединение железа с углеродом- карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% углерода по его массе. Температура плавления цементита около 1550°С≈1600°С.Цементит первичный Ц1 выделяется из жидкого металлического расплава, цементит вторичный Ц2- из аустенита, цементит третичный Ц3- из феррита.
Б)+В)=Ледебурит-механическая смесь(эвтектика)- аустенита и Ц1
Формируется при температуре 1147°С из жидкого металлического расплава, содержащего более 2,14%С .
При понижении температуры до 727°С формируется окончательная структура ледебурита, состоящая из механической смеси (Ф+Ц2)+Ц1. Перлит- механическая смесь Ф+Ц2 .
1.Для построения диаграммы состояния Fe-Fe3Cиспользуем координатную плоскость и оси:
- ось Х, вдоль которой будем откладывать одновременно 2 параметра: состав сплава по содержанию углерода в % и по содержанию цементита в %
- ось Y, вдоль которой будем откладывать температуру охлаждения сплава от 1600 до 600 °С
Наносим метки:
-по верхней оси Х- равномерно с шагом1 от 0% до 7%- процентное содержание углерода.
-по оси Y- равномерно с шагом 100от 600 от 600°С до 1600°С
| X | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | 0,16 | 0,51 | 0,8 | 2,14 | 4,3 | 6,67 |
| Y | 1539 | 1392 | 911 | 727 | 1499 | 1499 | 1499 | 727 | 1147 | 1147 | 1600 |
| точка | А | N | G | Р | Н | J | В | S | Е | С | D |
3. Строим диаграмму состояния.
4.Рассмотрим основные точки диаграммы состояния, для которых характерны строго определённые температуры превращений и концентраций углерода в сплавах. Результаты занесём в таблицу2.
| № | Х(%) | Y(°С) | Точка | Превращения |
| 1 | 6,67 | 1600 | D | ТочкаD- температура плавления цементита. |
| 2 | 0 | 1539 | А | 1539°С - температура плавления железа. Углерода нет. Точка А-предельная концентрация углерода в высокотемпературном феррите. |
| 3 | 0,1 | 1499 | Н | ТочкаН- 0,1%-предельное содержание(растворимость) С в δ-феррите при 1499°С. |
| 4 | 0,16 | 1499 | J | Точка J- концентрация 0,16% углерода в аустените при перитектической температуре 1499°С. |
| 5 | 0,51 | 1499 | В | ТочкаВ- 0,51%-концентрация углерода в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре1499°С . |
| 6 | 0 | 1392 | N | Углерода нет. ТочкаN- превращение высокотемпературного δ-железа в φ-железо.(Ниже 1392 до 910°С устойчивым является φ-железо. |
| 7 | 2,14 | 1147 | Е | Точка Е- 2,14%-предельная концентрация углерода в аустените при эвтеклической температуре 1147°С. |
| 8 | 4,3 | 1147 | С | ТочкаС-концентрация углерода в ледебурите,состоящем изА+Ц1 |
| 9 | 0 | 911 | G | Углерода нет. ТочкаG- превращение φ-железа в низкотемпературное α-железо. Т.е при температуре ниже 910 устойчиво α-железо |
| 10. | 0,8 | 727 | S | ТочкаS- концентрация углерода в перлите, состоящем изФ+Ц2 при эвтекоидной температуре 727°С |
| 11 | 0,02 | 727 | Р | Предельная концентрация углерода в низкотемпературном α-железе. Т.е мах растворимость углерода - 0,02% при 727°С |
Сплавы железа с углеродом при содержании в них 2,14-6,67 % С называют белыми чугунами. 3,7%С находится в интервале 2,14-4,3%.
В интервале точек 1,2 из жидкого расплава выделяются кристаллы аустенита, в инт точек 2-3 при частичном распаде аустенита избыточный углерод образует сетку цементита вторичного; оставшийся аустенит с частью кристаллов Ц2 образует механическую смесь- ледебурит; ниже точки 3 углерод, выделившийся из остатков аустенита образует дополнительное количество цементита, который соединяясь с кристаллами перлита, образует окончательную структуру ледебурита при сохранении в составе чугунов эвтектоида-перлита и сетки цементита вторичного.
3.Дайте определение легированным сталям. Опишите влияние легирующих элементов хрома, никеля, кремния, марганца, титана на свойства легированных сталей. Укажите, что называется нержавеющей сталью. Какой элемент и в каком количестве необходимо ввести в сталь, чтобы она стала корозионностойкой
СТАЛЬ - сплав железа(Fe) (основа) с углеродом(С) и содержащий ряд постоянных или неизбежных примесей которые оказывают влияние на её свойства. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, по назначению - конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими и химическими свойствами (нержавеющая, жаропрочная, электротехническая и др.).
Легирование- (нем . legieren - сплавлять, от лат. ligo - связываю, соединяю), введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь - Cr, Ni, Mo, W, V, Nb(ниобий), Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.
ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ помимо обычных примесей содержит легирующие элементы. Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.
Все элементы, вводимые в стали специально или сохранившиеся при её выплавке, можно разбить на 4 группы, что запишем в таблице3.
Таблица3.Примеси в сталях.
| № | Примеси | Химические элементы |
| 1 | постоянные или обыкновенные примеси: | марганец (Mn), кремний (Si), алюминий (Al), сера(S), фосфора(P). |
| 2 | Скрытые примеси: | кислород(О2), азот(N2), водород(Н2). |
| 3 | Случайные примеси: | медь(Cu),ртуть(Hg) олово(Sn)и др. |
| 4 | Легирующие элементы (от греческого слова сложные) | К ним относятся: хром (Cr), никель (Ni), молибден(Mo), вольфрам(W), V, Nb, Ti и др. Если количество Si и Mn в стали более 0,7-1% их тоже называют легирующими элементами. |
В зависимости от того, какими элементами насыщена сталь, её называют, например, хромистая, хромомарганцовистая и т.д.
Хром(Cr)- Хорошо растворяется в феррите, упрочняя его, является активным карбидообразователем, что повышает твёрдость и износостойкость сталей; увеличивает их прокаливаемость ( способность воспринимать закалку на большую глубину). Содержание в стали более 12% хрома приводит к увелич. Её коррозионной стойкости и уменьшает окислительные процессы в агрессивных средах. В хромистых сталях образуются специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависит от содержания Cи Cr. При низком содержании С и высоком содержании Cr образуются ферритные стали не претерпевающие полиморфного превращения. Оказывает влияние на структурные превращения в сталях при их термической обработке. Хром (а также Mo,W) наиболее значительно повышает устойчивость аустенита при температурах 450-550, тогда как у углеродистых сталей она при этих температурах наименьшая. Способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитных превращений и тем самым повышать его устойчивость приводит к понижению критической скорости закалки и увеличению прокаливаемости стали.