Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо – углерод», «Медь – алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их.
Рассмотрим диаграмму состояния «Железо – углерод (цементит)»
(«Fe – Fe 3 C») (рис. 3.2), основными компонентами которой являются железо и углерод. Температура плавления железа 1539 °С. В твердом состоянии оно может находиться в двух модификациях: α (решетка ОЦК) и γ (решетка ГЦК). Модификация Feα существует при температурах до 911 °С и от 1392 до 1539 °С. Важной особенностью Feα является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С (точка Кюри). Модификация Feγ существует в интервале температур 911–1392 °С.
Рис. 3.2. Диаграмма «Железо – углерод (цементит)»
Углерод имеет ряд полиморфных модификаций: графит, алмаз, карбин, фуллерен, графен и другие.
Графит – минерал из класса самородных элементов. Структура слоистая, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода.
Графит хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1–2 по шкале Мооса). Плотность 2,08–2,23 г/см³. Цвет серый, блеск металлический. Устойчив при нагревании в отсутствие воздуха (температура плавления графита под давлением свыше 100 атм. – около плюс 4000 °C).
Главные отличительные черты алмаза – высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе – всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5–0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на стирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9–2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин – линейный полимер углерода. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано его практическое применение – в фотоэлементах.
Другой модификацией элементарного углерода является фуллере́н – молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Применяются фуллерены как полупроводники (при легировании как сверхпроводники), в оптической технике, при создании лекарств и искусственных алмазов.
Графе́н − двумерная полиморфная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×103 Вт/(м·К) соответственно). Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Железо с углеродом образует растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от температуры и от того, в какой кристаллической форме существует железо. Твердый раствор углерода в Feα называется ферритом,а в Feγ – аустенитом.
Содержание углерода в диаграмме «Железо – углерод» ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрации образуется химическое соединение Fe 3 C – цементит. Так как на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода не более 5 %, то цементит является вторым компонентом рассматриваемой диаграммы. Цементит – неустойчивое химическое соединение, и при определенных условиях он распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение для получения высокоуглеродистых сплавов – серых чугунов.
Координаты характерных точек диаграммы «Железо – цементит» приведены в таблице 3.1
Превращения в сплавах системы «Fe – Fe 3 C» происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ABCR (ликвидус) и AHIECFD (солидус). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите, при понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените (ES) и феррите (PQ).
Таблица 3.1
Критические точки диаграммы «Железо – цементит»
| Обозначение точки | Т, °С | С, % | Обозначение точки | Т, °С | С, % |
| А | 1539 | 0 | F | 1447 | 6,67 |
| Н | 1499 | 0,1 | G | 911 | 0 |
| I | 1499 | 0,16 | P | 727 | 0,02 |
| B | 1499 | 0,51 | S | 727 | 0,8 |
| N | 1392 | 0 | K | 727 | 6,67 |
| D | 1250 | 6,67 | Q | ≈ 600 | 0,01 |
| E | 1147 | 2,14 | L | ≈ 600 | 6,67 |
| C | 1147 | 4,3 | R | 1250 | 4,8 |
В системе «Fe – Fe 3 C» происходят четыре изотермических превращения:
при t = 1499 °С, линия HIB – перитектическое превращение:
ЖВ + ФН → А I;
при t = 1250 °С, линия RD – перитектическое превращение:
Ж R + Г → Ц;
при t = 1147 °С, линия ECF – эвтектическое превращение:
ЖС → АЕ + Ц;
при t = 727 °С, линия PSK – эвтектоидное превращение:
А S → ФР + Ц → П.
Структурными составляющими данной системы являются: графит (Г), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П), ледебурит (Л).
Графит – одна из полиморфных модификаций углерода. Свойства графита рассмотрены выше.
Феррит – твердый растворвнедрения углерода в Feα, – мягкая, пластичная фаза (σВ = 300 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02 % (точка P), в высокотемпературном – 0,1 % (точка H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).
Аустенит – твердый растворвнедрения углерода в Feγ, – более твердыйи пластичный (δ = 40–50 %, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14 % (точка Е).
Цементит – химическое соединение Fe 3 C, – имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита точно не установлена и колеблется от 1250 до 1700 °С (по данным различных источников). Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабо ферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, – чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита,и является прочной структурной составляющей (σВ = 800–900 МПа, δ = 16 %, 1800 HB).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727°С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.
Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С.
Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С.
Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.
Стали подразделяются на доэвтектоидные (содержание углерода от 0,02 до 0,8 %, структура Ф+П), э втектоидные (содержание углерода 0,8 %, структура П), заэвтектоидные (содержание углерода от 0,8 до 2,14 %, структура П+ЦII). Чугуны подразделяются на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %, структура П+Л+ЦII), эвтектические (содержание углерода 4,3 %, структура Л), заэвтектические (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %, структура Л+ЦI).
