Твердого раствора внедрения

Химические соединения образуют компоненты, обладающие взаимной химической активностью и вступающие во взаимодействие между собой при определенном их соотношении. В этом случае при кристаллизации раствора выстраивается совершенно новая кристаллическая ячейка, причем, атомами обоих компонентов. Она отличается от ячеек каждого из компонентов – это новая молекула. Новое расположение, соседство разнородных атомов с иным взаимодействием между собой порождает возникновение новых свойств в образовавшемся сплаве. Например, при количестве хрома более 12% в сплаве с железом образуется нержавеющая сталь.

Сталь – представляет собой сложный сплав железа с углеродом, она сочетает в себе твердый раствор внедрения, химическое соединение и их механическую смесь. Механические свойства стали в большой мере зависят от содержания в ней углерода, с увеличением которого возрастают прочность и твердость стали, но снижается пластичность до появления хрупкости.

Как видим, стали и чугуны представляют собой сплавы сложного внутреннего строения, называемого структурой, и для них характерен широкий диапазон свойств от пластичности до хрупкости. Изменение структурного состава этих сплавов, в зависимости от содержания углерода и температуры, показано на диаграмме состояния «Железо-углерод» (Рис. 4), разработанной ученым металловедом Д.К.Черновым в 1868 году.

Диаграмма состояния «Железо-углерод» рассматривает сплавы с содержанием углерода до 6,67%. Линии на диаграмме указывают о происходящих структурных превращениях в сплавах т.е., – об изменении внутреннего строения и, соответственно – об изменении. Свойств. Это происходит как при различном содержании углерода, так и при различных температурах, начиная с температуры плавления.

Буква А на оси ординат указывает температуру плавления чистого железа 1539⁰ С. Линии АВС и СД означают температуру плавления или начало кристаллизации охлаждаемых сплавов. Они называются линиями ликвидуса. Ниже линии АВС в жидкости образуются кристаллы аустенита, т.е. твердого раствора внедрения атомов углерода в кристаллическую ячейку железа - гранецентрированного куба. Аустенит обладает малой прочностью и малой твердостью НВ 150 … 180. Под микроскопом имеет вид светлых зерен с двойными линиями.

Рис. 5. Кристаллическая ячейка аустенита

Ниже линии СD в жидкости образуются кристаллы цементита, т.е. химического соединения железа с углеродом, имеющего сложную кристаллическую ячейку, построенную атомами как углерода, так и железа, и по своему виду отличающуюся от ячеек каждого из них. Он очень твердый НВ 800 и хрупкий. Под микроскопом обнаруживается в виде светлой сетки или светлых игл.

Линии АНЕСF – это линии конца кристаллизации охлаждающихся сплавов и они называются линиями солидуса.Сплавы, находящиеся между линиями ликвидуса и солидуса двухфазны, т.е. фаза жидкости и фаза твердых образующих кристаллов.

Ниже линии солидуса находятся горячие закристаллизовавшиеся сплавы. Характерна точка Е на линии солидуса при содержании углерода 2,14%. Она определяет границу между сталями, расположенными слева, и чугунами - справа. Характерно, что горизонтальная линия ЕСF означает завершение кристаллизации только чугунов, причем при постоянной температуре 1147⁰ С.

Если слева и справа от точки С, происходит кристаллизация сплавов в интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса, то в точке С, при содержании углерода 4,3%, это происходит при одной температуре. Эта точка называется точкой эвтектики, где образуется механическая смесь, называемая ледебурит. Он состоит из кристаллов аустенита и цементита.

Линия АЕ указывает, что стали, при разном содержании углерода завершают кристаллизацию при разных температурах, т.е. с увеличением содержания углерода температура конца кристаллизации снижается. Ниже линии АЕ все стали находятся уже в твердом состоянии и представлены аустенитом.

Все остальные линии на диаграмме указывают, что сплавы в твердом, закристаллизовавшемся состоянии, продолжают претерпевать структурные превращения (изменяют внутреннее строение).

На треугольном участке между осью ординат и линиями РG и PQ образуется феррит – твердый раствор внедрения углерода в ячейку железа объемно-центрированный куб. Феррит пластичный и мягкий, имеет твердость НВ 60 … 90. Под микроскопом обнаруживается в виде светлых пятен.

Рис. 6. Кристаллическая ячейка феррита.

На треугольном участке между линиями PG, GS и SP образуется механическая смесь феррита с аустенитом.

Ниже линии SE стали представлены другой механической смесью - аустенита и цементита. В точке S, подобной точке С по образованию сложной механической смеси, но при содержании углерода 0,8% образуется перлит – механическая смесь феррита и цементита. Он обладает значительной прочностью и твердостью, НВ 190 … 230. Под микроскопом обнаруживается в виде серых зерен.

Точка S называется точкой эвтектода, а стали, содержащие 0,8% углерода называются эвтектоидными.

Линия PSK при температуре 727⁰С – это линия магнитных превращений, ниже которой сплавы приобретают магнитные свойства.

Поскольку в технике используются стали и чугуны, в основном, в интервале температур 50⁰С, то структуру этих сплавов следует изучать при температуре ниже 727⁰С.

Рассмотрим изменение структуры сплавов при разном содержании углерода вдоль оси абсцисс:

- при малом содержании углерода, левее линии PQ, сталь имеет структуру феррита; на участке, левее точки S при содержании углерода менее 0,8% - доэвтектоидные стали,они имеют структуру механической смеси феррита и цементита, причем по мере увеличения содержания углерода до 0,8% в сплавах все больше и больше преобладают серые (темные)кристаллы перлита, что указывает на увеличение твердости и прочности стали;

- эвтектоидные стали, содержат углерода 0,8%, они имеют структуру перлита, все зерна темного цвета;

- заэвтектоидные стали, содержат углерода от 0,8% до 2,14%, они имеют структуру перлита, с увеличивающимся количествомсветлых цементитных игл (прожилок), что указывает на еще большее увеличение прочности и твердости.

Белые чугуны, содержат углерода более 2,14% они расположены на диаграмме справа от вертикальной линии из этой точки С и имеют структуру механической смеси - перлита, цементита и ледебурита. Белый цвет, высокую твердость и хрупкость этим чугунам придает цементит, в том числе, и входящий в состав перлита и ледебурита. Белые чугуны практически не используются в технике (а поступают на переплавку в сталь), т.к. они очень твердые и хрупкие.

Таким образом, диаграмма позволяет проследить изменение структуры (внутреннего строения) железо-углеродистых сплавов при различном содержании в них углерода, а следовательно, позволяет увидеть и изменение механических свойств этих сплавов.