Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

 

5.10. Диаграмма состояния для  сплавов, испытывающих полиморфные превращения

 

В приведенных выше диаграммах рассматривали первичные превращения, связанные с процессом кристаллизации жидкого сплава.

При вторичной кристаллизации вследствие изменения растворимости  с изменением температуры выделяются вторичные кристаллы. Вторичная  кристаллизация наблюдается и в том случае, если хотя бы один из компонентов претерпевает аллотропические превращения. Таким образом, превращения в твердом состоянии наблюдаются во всех тех случаях, при которых хотя бы один из компонентов обладает полиморфизмом (т.е. в диаграммах, где компонентами являются железо, олово, кобальт, марганец, титан, цирконий и некоторые другие элементы).

В рассматриваемых диаграммах с полиморфными превращениями (рис.5.16) верхняя часть диаграммы характеризует первичную кристаллизацию, нижняя - вторичную.

Вид диаграммы состояния  зависит от соединений, образующихся между аллотропическими формами  обоих компонентов. Рассмотрим некоторые  наиболее типичные случаи и возможные виды диаграммы состояния.

Если низкотемпературные модификации ограниченно растворимы друг в друге, а высокотемпературные - неограниченно, то получим сочетание диаграмм (рис.5.16.г).

 

Рис.5.16. Диаграммы состояний с полиморфными превращениями

 

 

5.11. Связь между свойствами сплавов  и типом диаграммы состояния

 

Как известно, вид диаграммы состояния зависит от того, какие фазы образуют оба компонента. Свойства сплава также зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

Поэтому очевидно, что  между видом диаграммы состояния  и свойствами сплава должна существовать определенная связь. На рис.5.17. приведены четыре основных типа диаграмм состояний и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава с изменением концентрации:

1. При образовании  смесей (рис.5.17.а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

2. При образовании  твердых растворов (рис.5.17.б) свойства  сплава изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, в первую очередь электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов. Следовательно, при образовании механической смеси электросопротивление повышается незначительно, при образовании твердого раствора - весьма сильно. Поэтому распад твердого раствора на две (или более) фазы приводит к повышению электропроводности (закон Курнакова).

3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис.5.17.в) свойства в интервале концентраций, отвечающем однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному, а в двухфазной области диаграммы - по прямолинейному закону, причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании  химического соединения на диаграмме  концентрация - свойства (рис.5.17.г) концентрация химического соединения отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае перелом прямой). Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной (особой) точкой. По диаграмме состав - свойства находим стехиометрическое соотношение компонентов данного химического соединения определяя, какой концентрации отвечает сингулярная точка.

 

Рис.5.17. Свойства сплавов  в их диаграммы состояния

 

Метод изучения изменений  свойств в зависимости от изменения: состава и построения диаграммы состав - свойства был положен Н.С. Курнаковым в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов. В настоящее время физико-химический анализ является одним из основных методов изучения сплавов и его широко применяют в научных исследованиях новых сплавов при изучении структурных превращений и в других случаях.

6. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ.

 

6.1. Диаграмма железо-углерод

Железо

 

Температура плавления  железа 1539°С (±5 °С). В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях - а (о.ц.к.) и g (г.ц.к.).

Кристаллические решетки а- и g-железа и температуры равновесных превращений были приведены на рис.6.1.

Существенным и принципиально  важным фактом является то обстоятельство, что а-железо существует в двух интервалах температур ниже 911°С и от 1392 до 1539°С. Объяснение этому следует искать в определенном изменении величины свободной энергии в зависимости от температуры. Схематически это изменение показано на рис.6.1.

Свободная энергия а-железа (Fe_a) меньше свободной энергии g-железа (Fe_g) при температурах ниже 911°С и выше 1392°С. В интервале 911-1392°С меньшей свободной энергией обладает гранецентрированная упаковка атомов железа. Вот почему при нагреве при 911 °С происходит а -g-превращение, а при 1392 °С g-а превращение. Высокотемпературная модификация а-железа (иногда называемая d-железом) не представляет собой новой аллотропической формы.

 

Рис.6.1. Изменение свободных  энергий а- и g-модификаций железа при изменении температуры

 

При 768°С железо испытывает магнитное превращение; выше 768°С железо становится немагнитным.

Железо со многими  элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

Особо следует рассмотреть  образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в а-железе ничтожно мала (менее 0,02 %) и в сто раз больше (до 2 %) в g-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в а-железе называется ферритом, а в g-железе - аустенитом.

Цементит

 

Цементит -это химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe₃C. Состав цементита 75 % (атомн.) Fe и 25 % (атомн.) С или 6,67 % (по массе) С - остальное железо. Так как растворимость углерода в а-железе мала, то при нормальных температурах в большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита и другого карбида.

Кристаллическая структура  цементита очень сложна. Температура плавления цементита - около 1250°С. Аллотропических превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит теряет при 217 С. Цементит имеет высокую твердость > 800 HB, но чрезвычайно низкую пластичность.

Цементит соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Диаграмма состояния

 

Диаграмма состояния  железо-углерод в интервале концентраций от железа до цементита представлена на рис.6.2.

 

 

 

Рис.6.2. Диаграмма Fe-C

 

Линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.

В диаграмме существуют следующие фазы: жидкость, цементит Fe₃C, феррит – твердый раствор углерода в а-железе, аустенит - твердый раствор углерода в g-железе.

Три горизонтальные линии  на диаграмме (HJB, ECF и PSK) указывают на протекание трех нонвариантных реакций.

При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция;

L_В + Ф_Н = a_j.

В результате перитектической реакции образуется аустенит Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углероду от 0,1 до 0,5 %.

При 1147°С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:

L_С = А_Е + Ц.

В результате этой реакции  образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14 %..

При 727 °С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция:

А_S=Ф_Р+Ц.

Продуктом превращения  является эвтектоидная смесь. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом, имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

 

6.2. Углеродистые стали

 

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 % легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь.

Углеродистая сталь  промышленного производства - сложный  по химическому составу сплав. Кроме основы - железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0-99,5 %), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа  выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств  различаются главным образом  по содержанию этих. примесей. Однако один элемент, а именно - углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод. Естественно, что эти сплавы (при С < 2 %) называются углеродистыми. сталями.

Структуру и свойства металлических сплавов, как уже  известно, можно изменять в широких  пределах с помощью термической  обработки; особенно эффективна термическая обработка для стали. Однако не все свойства изменяются при такой обработке. Одни (структурно чувствительные свойства) зависят от структуры металла (это большинство свойств), и, следовательно, изменяются при термической обработке, другие (структурно нечувствительные свойства) практически не зависят от структуры. К последним относятся характеристики жесткости.

Влияние углерода на свойства стали

 

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8 %, то структура стали состоит из феррита и перлита.

 

Рис.6.3. Влияние углерода на механические свойства стали

 

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности (рис.6.3.). Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Как видно из рис.6.3., увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т. е. при температурах выше порога хладноломкости).

Влияние постоянных примесей на свойства стали

 

Постоянными примесями  сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.

Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами, %: 0,8 Мn; 0,5 Si; 0,05 Р; 0,05 S.

При большем содержании их сталь следует отнести к  сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные стали).

Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления, т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите.

Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность  в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства. Но так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.

Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца.

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим  в феррите, кроме той части  кремния, которая в виде окиси  кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.

При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавленная в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04 %), а в электропечи менее 0,02 %. Уменьшить содержание до 0,01 % и меньше металлургическими приемами затруднительно и достигается это использованием исходной высокочистой шихты.

Современными методами исследования было показано, что находящийся в  растворе фосфор неравномерно распределяется и обогащает (сегрегирует) границы зерен. Малая скорость диффузии фосфора в а-железе практически исключает выделение фосфидных выделений из раствора.

Растворяясь в а-железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние, иначе вызывает хладноломкость стали. Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях фосфор желательный элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов - продукт горения топлива. В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электрической печи сера удаляется из стали.