Свойства железа и его кривая охлаждения

Железо — серебристый металл с температурой плавления 1539 °С. Имеет следующие механические свойства: ств = 250 МПа, а02=120МПа, о~50%, НВ 80. Химически чистое железо, без примесей, получить чрезвычайно трудно. Техническое железо всегда содержит ряд элементов, которые попадают в него непроизвольно при производстве или вводятся специально для придания особых свойств.
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях: Fea (объемно-центрированная кубическая решетка) и FeT (гранецентрированная кубическая решетка). Кристаллические решетки, приведенные на кривой охлаждения железа (рис. 28), характеризуют аллотропические превращения. Остановка при 1539 °С связана с первичной кристаллизацией железа. При этом образуется б-железо с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (высокотемпературную а-мо-дификацию обозначают буквой б) с периодом 0,293 нм. При 1392 °С решетка объемно-центрированного куба превращается в гранецентрированную решетку, период которой при 911°С равен 0,364 нм (образуется у-железо). В интервале 1392...911 °С железо находится в аллотропической форме FeT. При температуре ЭП^С гранецентрированная решетка Fev превращается в объемно-центрированную решетку Fea с периодом 0,286 нм. Ниже этой температуры  решетка  железа объемно-центрированная.
Площадка на кривой охлаждения при 768 °С (точка Кюри) указывает не на перестройку решетки, а на возникновение магнитных свойств в железе: выше 768 °С железо немагнитно, ниже 768 °С магнитно. Изменение строения кристаллической решетки железа влечет за собой изменение некоторых его свойств (например, Fea почти не растворяет углерод, aFeT растворяет до 2,14 %). Аллотропические  превращения  всегда   сопровождаются
56
Рис. 28. Кривая охлаждения железа
выделением теплоты при охлаждении и поглощением скрытой теплоты при нагревании.
Углерод в природе существует в двух модификациях — в виде графита и алмаза.
При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его ме-тастабильную модификацию.
Углерод в железоуглеродистых сплавах присутствует или в виде графита в структуре чугунов, или в виде химического соединения карбида железа F3C (цементит). Углерод является неметаллическим    элементом прочностью    ав = 20...40 МПа.

Зависимость свойств сплавов из металла от их состава и строения

 Из данной статьи Вы узнаете какую зависимость имеют свойства сплавов от их состава и строения.
Зависимость свойств сплавов от их состава и строения. В результате многочисленных исследований академик Н. С. Курнаков установил зависимость механических и физических свойств сплавов от их состава и образуемых структур.
На рисунке 18 показаны основные типы диаграмм состояния и характер изменения твердости (линия 1) и электропроводности (линия 2).

Свойства сплавов и вид их диаграмм состояния

Для сплавов, образующих эвтектику (рис. 18, а, твердость и предел прочности, удельная электропроводность и электросопротивление изменяются по линейной зависимости, то есть представляют собой среднее из свойств исходных компонентов. Эвтектические сплавы обладают высокими литейными свойствами (низкой температурой плавления и жидкотекучестью), хорошо обрабатываются резанием.
У сплавов, образующих твердые растворы (рис. 18,6), физико-механические свойства изменяются по плавным кривым. Они   обладают    низкой   электропроводностью, хорошей   обрабатываемостью   давлением,   худшей — резанием.
У сплавов с ограниченной растворимостью (рис. 18, в) свойства изменяются в соответствии с принадлежностью сплава к той или иной части диаграммы.
У сплавов, образующих химические соединения и эвтектику (рис. 18,г), механические и физические свойства изменяются по линейной зависимости, то есть представляют собой среднее из свойств исходных компонентов и химического соединения.

Диаграмма состояния сплавов четвертого типа

Диаграмма состояния четвертого типа. Она характеризует сплавы, в которых компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, совершенно нерастворимы в твердом и при затвердевании образуют химические соединения. Это сплавы магний — кальций, магний— олово, марганец — кремний.
В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния сплава Mg—Са (рис. 17), компоненты которого образуют прочное химическое соединение Mg4 и Са3(АnВm) с содержанием 45% Mg и 55% Са (температура плавления химического соединения 721 °С). Из диаграммы видно, что указанное химическое соединение ведет себя как самостоятельный компонент и делит систему Mg—Са на две диаграммы первого типа: Mg—Mg4Са3(A—АnВm) и Mg4Са3—Са(АnВm—В). Выше линии ликвидуса ABCDE сплавы находятся в жидком состоянии в однофазном равновесии, ниже линии солидуса FBKODM — в твердом состоянии, имея двухфазное равновесие.

Диаграмма состояния сплавов с образованием химических соединений

Диаграмма состояния сплавов третьего типа

Диаграмма состояния третьего типа. Она характеризует сплавы, в которых два металла в жидком состоянии обладают полной растворимостью, а в твердом состоянии—ограниченной (рис. 16). К этим сплавам относятся: медь — серебро, олово—свинец, алюминий — кремний и др.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

По линии ликвидуса АСВ в отличие от диаграммы первого типа не будут кристаллизоваться чистые компоненты A и В, а будут выпадать кристаллы α твердого раствора  компонента В в А (линия АС) и кристаллы β твердого раствора A в B  (линия BC). При этом эвтектика  будет состоять из смеси кристаллов двух твердых растворов α и β. Сплавы между точками D и С непосредственно после кристаллизации из жидкого раствора состоят из кристаллов α и эвтектики α+β, а между точками С и Е — из кристаллов β и эвтектики α+β.  Сплавы с концентрацией меньше, чем в точке D, заканчивают кристаллизацию из жидкого раствора по линии AD и состоят из кристаллов α.
При понижении температуры (линия DF) эти кристаллы оказываются пересыщенными атомами компонента В, поэтому из твердого раствора α кристаллизуются зерна твердого раствора βBT. Такие превращения в твердых растворах называются вторичной кристаллизацией в отличие от первичной, происходящей из жидкого раствора. В сплавах с концентрацией больше, чем в точке Е, при температурах ниже линии солидуc (линия ADEB) из   кристаллов  β (линия EG) выпадают кристаллы αBT.

Диаграмма состояния сплавов второго типа

Диаграмма состояния второго типа. К диаграмме состояния второго типа относятся сплавы, которые характеризуются полной взаимной растворимостью компонентов как в жидком, так и в твердом состоянии. Полной взаимной растворимостью обладают такие сплавы системы: медь — никель, железо — никель, кобальт — хром.
 На рисунке 15 показана диаграмма состояния сплавов Си—Ni. Температура плавления чистой меди 1083°С, а никеля—1455°С. При температурах, лежащих выше кривой АСВ (линия ликвидуса), все сплавы находятся в жидком состоянии, при температурах ниже кривой ADB (линия солидуса) — в твердом. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы находятся частично в виде твердых кристаллов и частично в виде жидкого сплава.

Диаграмма состояния сплавов медь-никель

 В процессе охлаждения образовавшиеся в начале кристаллизации кристаллы богаты тугоплавким элементом никеля. При дальнейшем охлаждении в эти кристаллы диффундирует из жидкого сплава медь, а вновь образовавшиеся кристаллы содержат больше меди и меньше никеля. В результате диффузии концентрация сплава выравнивается. Диффузия происходит тем полнее, чем (медленнее охлаждение.
В практических условиях, если сплавы охлаждаются довольно быстро и состав кристаллов не успевает выравниваться, различные места кристалла имеют неодинаковый состав. Такая химическая неоднородность называется   дендритной, или внутрикристаллической,  ликвацией. Установлено, что чем больше интервал между ликвидусом и солидусом сплава, тем  больше дендритная ликвация сплава.  Ликвацию можно  устранить  отжигом  при температуре 0,8...0,9 температуры   плавления.

Диаграмма состояния сплавов первого типа. Что такое эвтектика?

Из данно статьи Вы узнаете:

• Чем отличается сплав от чистого металла.
• Что такое кривая охлаждения металла, как она строится и что характеризует.
• Что такое эвтектика. 

Диаграмма состояния первого типа. По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются такие двойные сплавы, как свинец — сурьма (Pb—Sb), олово — цинк (Sn—Zn). Температура плавления свинца равна 327"С, то есть при этой температуре свинец из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плавления сурьмы равна 631 °С. Если взять сплавы Pb—Sb различного состава с постепенно увеличивающимся содержанием сурьмы (5% Sb —95% Pb, 13% Sb —87% Pb, 40% Sb — 60% Pb) и медленно их охлаждать, то получатся кривые охлаждения, представленные на рисунке 13.

Кривые охлаждения сплавов из металла

Кривые охлаждения показывают, что сплавы в отличие от чистых металлов имеют две критические точки: температуру начала и температуру конца   кристаллиазации. При нижней критической температуре (246°С) все сплавы Pb—Sb окончательно затвердевают. При верхних критических температурах, которые для разных по составу сплавов неодинаковы, происходит только начало затвердевания сплава (начало перехода из жидкого состояния в твердое). При этом в зависимости от процентного содержания Pb и Sb в сплавах в момент начала затвердевания начинает кристаллизоваться либо Pb, либо Sb (это зависит от того, каким из указанных металлов пересыщен сплав данного состава при соответствующей температуре).
При соединении точек начала и конца затвердевания кривых охлаждения получается диаграмма состояния сплавов свинца и сурьмы (рис. 14).

Диаграмма состояния сплавов свинец-сурьма

Выше линии АСВ все свинцово-сурьмистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АСВ соответствует началу затвердевания сплавов и называется линией ликвидуса (ликвидус — «жидкий»). Линия ВСЕ соответствует концу затвердевания сплавов и называется линией солидуса (соладус — «твердый»). Ниже этой линии все сплавы «находятся в твердом состоянии.
По линии АС из сплавов, содержащих менее 13% сурьмы, начинает кристаллизоваться чистый свинец, па линии СВ из сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинает кристаллизоваться чистая сурьма.
В точке С, отвечающей составу 13% Sb и 87% Pb, одновременно кристаллизуются и свинец и сурьма с образованием тонкой «механической смеси кристаллов Sb и Pb. Такая структура  называется эвтектикой. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим и характеризуется самой низкой температурой плавления по сравнению со всеми сплавами Pb—Sb. Сплавы, по составу лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, а правее — заэвтектическими.
Рассмотрим процессы кристаллизации доэвтектиче-ского сплава, содержащего 5% Sb, и заэвтектического, содержащего 40% Sb.
Доэвтектический сплав выше линии ликвидуса АС находится в жидком состоянии. Когда сплав при охлаждении достигает линии АС, начинают образовываться кристаллы чистого свинца. Процесс продолжается до температуры 246°С (линия DCE). При этом в жидкой части сплава будет возрастать содержание сурьмы и при достижении эвтектической температуры 246 С жидкая часть сплава, соответствующая по составу точке С (13% Sb + 87% Pb), затвердевает, образуя эвтектику, состоящую из кристаллов Sb и Pb. Аналогично происходит затвердевание всех доэвтектических сплавов. Ниже линии солидуса (246°С) сплавы имеют структуру, которая состоит из кристаллов свинца, выделившегося в интервале температур от линии ликвидуса до линии солидуса, и эвтектики, образовавшейся при окончательном затвердевании сплавов на линии солидуса.
Заэвтектический сплав с содержанием 40% Sb выше линии ликвидуса СВ находится в жидком состоянии, и, когда он при охлаждении достигает линии СВ, образуются кристаллы сурьмы, которые продолжают выделяться ДО ЛИНИИ СЕ (246°С). Рис. 15. Диаграмма состоя-В интервале температур ния сплавов медь-никель между линиями  ликвидус и солидус количество кристаллов Sb непрерывно растет, а жидкая часть сплава меняет свой состав; при температуре 246 °С жидкая часть сплава имеет состав, соответствующий точке С (13 % Sb + 87 % Pb), и кристаллизуется с образованием эвтектики. Аналогично затвердевают все заэвтектические сплавы. Только один сплав этой системы— сплав с эвтектической концентрацией (13% Sb + + 87% Pb) затвердевает при одной и той же температуре (246 °С) с образованием структуры, состоящей только из эвтектики без избыточных кристаллов чистого компонента.

Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость между фазовым составом, температурой и концентрацией составляющих сплав компонентов. Она позволяет определять температуры плавления и затвердевания, структуры   сплавов при разных температурах в условиях равновесия и те процессы, которые претерпевают сплавы при охлаждении и нагревании. По вертикальной оси диаграммы откладывают температуру, по горизонтальной — концентрацию компонентов в сплаве.
Диаграммы состояния металлических сплавов строят на основании изучения их методами термического, микроскопческого, рентгеноструктурного анализа. Термический анализ является основным методом для определения температур начала и конца затвердевания сплавов и превращений, происходящих в твердом состоянии. Этот метод позволяет проследить изменения температуры охлаждаемого сплава во времени.
При помощи термопары через определенные промежутки времени отмечают наблюдаемую температуру сплава. На основании полученных данных строят кривые охлаждения и нагревания в координатах температура — время и по перегибам и остановкам на них, вызванным-тепловым эффектом превращения, определяют температуры превращения — критические точки.
По диаграммам состояния можно установить связь структуры сплава с его механическими и технологическими свойствами, а также назначить режим термической обработки и температурный интервал проведения горячей обработки металлов давлением.
В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния первого типа, характеризующую такие сплавы, компоненты которых в жидком состоянии полностью взаимно растворимы, а в твердом — нерастворимы и при этом образуют механические смеси.