Привет студент

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом совмещает с себе все ранее рассмотренные типы диаграмм; в частности, она является диаграммой сплавов, способных к образованию химического соединения, каковым здесь

является Fe₃C (при содержании в сплаве 6,67% С) Рассматриваемая ниже диаграмма представляет собой лишь часть всей еще не изученной полностью диаграммы состояния сплавов железа с углеродом.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом строится обычным способом, т.е. путем перенесения критических точек с кривых охлаждения сплавов железа с различным содержанием углерода на плоскость, где по оси X откладывается содержание углерода в сплаве, а по оси Y — температура.

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа представлены на фиг. 85. На них видим четыре критические точки: для кривой нагрева 770, 910, 1390 и 1539°; для кривой охлаждения 1539, 1390, 906 и 770°. Критическая точка 1539° соответствует переходу железа из жидкого состояния в твердое и из твердого в жидкое; температура 770° является температурой точки Кюри, остальные критические точки указывают на структурные превращения железа в твердом состоянии.

Неполное совпадение второй снизу критической точки на кривой охлаждения с аналогичной точкой на кривой нагрева указывает на склонность железа к переохлаждению (гистерезису) при переходе через эту критическую точку.

Обозначая различные модификации железа соответствующими буквами греческого алфавита, имеем: 1) a-Fe—при нагреве до 910°; y-Fe — от 910 до - 1390° и б-Fe — от 1390 до 1539°; 2) б-Fe — при охлаждении в интервале температур от 1539 до 1390°; y-Fe — от 1390 до 906°; a-Fe— от 906° и ниже. При 770° железо претерпевает магнитное превращение.

Атомный вес железа (Fe) 55,8; удельный вес 7,87; температура плавления 1539°; цвет серебристо-белый; коэффициент линейного расширения при нагреве от 0 до 100° 11,7_* 10^-6, теплоемкость от 0 до 100° 0,1 кал/г °С; теплопроводность 0,19 кал/см . сек °С; электросопротивление 0,099 ом_*мм²/м. Железо кристаллизуется в кубической системе.

Чистое железо получают обычно путем электролиза; содержание примесей в одном из наиболее чистых образцов железа, полученного путем электролиза, составляет 0,004% С; 0,002% Мn, 0,004% S и 0,003% Р. Такое железо имеет белый цвет, очень ковко, мягко.

Предел прочности электролитического железа составляет 25—30 кг/мм², твердость по Бринелю 80.

Электролитическое железо обладает высокой магнитной проницаемостью.

Сплавы можно рассматривать как совокупность компонентов, связанных между собой силами межатомного или межмолекулярного притяжения и отталкивания. Если сплав находится в таком состоянии, которое отвечает минимальному термодинамическому потенциалу при данных температуре и давлении, составляющие сплав вещества не обнаруживают стремления к взаимным перемещениям. Такое состояние является устойчивым, равновесным.

При изменении внешних условий — температуры и давления — в сплаве могут происходить превращения — переход из твердого состояния в жидкое, взаимное растворение компонентов, аллотропические превращения, образование химических соединений. Все эти превращения всегда направлены к тому, чтобы система сплава снова пришла в устойчивое состояние, нарушенное изменением внешних условий.

Как было сказано ранее, фазой называют физически и химически однородную часть сплава, которая отделена от других однородных частей сплава «поверхностью раздела». Следовательно, сплав в жидком состоянии представляет собой обычно однофазную систему. Сплав, состоящий из смеси кристаллов двух твердых растворов, имеет две фазы; сплав, являющийся однородным твердым раствором, однофазен и т. д.

Так как свойства металлов и сплавов определяются не только их химическим составом, но также и структурой и так как всякое структурное изменение в них происходит при соответствующей температуре, то для изучения, свойств металлов и сплавов важно знать их критические точки.

Ввиду того что законы равновесия между фазами, которым подчиняются сплавы и растворы солей в воде, аналогичны, изучение явлений, происходящих при охлаждении сплавов, удобно начинать с изучения явлений, происходящих при охлаждении соляных растворов.

Построим кривые охлаждения для растворов поваренной соли в воде с содержанием соли 0; 10; 15; 23,5 и выше 23,5% и сгруппируем их на одной диаграмме (фиг. 63).

Кривая I представляет собой уже известную нам кривую охлаждения чистой воды,ее критическая точка 0°; при этой температуре начинается и заканчивается процесс кристаллизации воды. Кривая II изображает изменения температур с течением времени при охлаждении соляного раствора, содержащего 10% NaCl; рассматривая эту кривую, видим, что изменение направления кривой происходит не при 0°, а только при — 8° (точка А кривой II), после чего кривая принимает несколько более пологое, чем на вышележащем участке, направление. Когда температура опустится до —22°, произойдет температурная остановка (участок ВС кривой II). Исследуя физическую сторону явления, можно убедиться в том, что, начиная от точки А до точки В кривой ll, из соляного раствора выделяются кристаллы

льда, и концентрация раствора, постепенно повышаясь, доходит до 23,5% В течение времени, равного участку ВС кривой II, при температуре —22° происходит кристаллизация и воды и соли одновременно, при этом концентрация жидкого маточного раствора сохраняется в течение всего времени замерзания постоянной.

При определенном химическом составе свойства сплава определяются его структурой, а структура в свою очередь определяется характером обработки, которой был подвергнут сплав.

Свойства сплавов устанавливают лабораторным испытанием. Структуру сплава определяют по виду излома или травленого шлифа под микроскопом, а также исследуют рентгеновским методом.

Изучая одновременно свойства сплава и его структуру и зная, какой термической или механической обработке подвергался изучаемый сплав, можно установить для каждого сплава зависимость между его свойствами, структурой и обработкой. Когда такая зависимость установлена, можно по свойствам образца сплава определенного химического состава сделать выводы относительно его структуры и обработки, которой образец подвергался; или же, установив структуру образца сплава определенного химического состава, можно определить его свойства и обработку. Эта зависимость лучше всего может быть выражена графически в виде соответствующих диаграмм. Особенно плодотворным оказывается применение графического метода при изучении зависимости между химическим составом сплава, его структурой и термической обработкой.

Если при затвердевании сплав образует смесь кристаллов чистых компонентов, то на рентгенограмме сплава можно видеть пятна, свидетельствующие о наличии в сплаве кристаллических решеток, свойственных каждому из компонентов.

В случае, когда сплав представляет собой химическое соединение его компонентов, кристаллическая решетка сплава может быть: 1) либо обычно очень сложной, составленной молекулами самого химического соединения; схематическая картина такой решетки представлена на фиг. 56; здесь атомы разных компонентов представлены белыми и черными кружками; такую решетку называют молекулярной; 2) либо составленной из атомов отдельных компонентов, занимающих определенные места в решетке и представленных в определенных количественных отношениях; схема такой решетки (соединение NiAl) показана на фиг. 57.

Сплавами называются материалы, получаемые при взаимном проникновении металла в металл или металла в неметалл, если эти материалы обладают характерными для металла свойствами. В качестве примеров сплава можно указать сталь — сплав железа с углеродом, бронзу — сплав меди с оловом.

Так как чистые металлы в большинстве случаев мало пригодны для технических целей и так как внесение в металлы примесей (в виде других  металлов или металлоидов) сильно изменяет их свойства, то преимущественно употребляют не чистые металлы, а их сплавы с другими веществами. Останавливаясь на приведенных примерах сплавов, можно отметить, что ни чистое железо, ни чистая медь в подавляющем большинстве случаев не в состоянии удовлетворить требованиям, предъявляемым к металлам современной техникой. Чистое железо, например, по причине своей мягкости непригодно для изготовления множества предметов, начиная от иглы и кончая рельсом, а чистую медь по той же причине, а также вследствие легкой окисляемости нельзя применять для изделий, изготовляемых из бронзы.

Свойства металлов обусловливаются характером элементарных частиц, из которых состоит тот или другой металл, расположением этих частиц в пространстве и их взаимодействием. Таким образом, при одном и том же химическом составе всякое изменение в структуре металла должно сопровождаться изменением его физических свойств. Если подвергается изменению и химический состав вещества, обладающего характерными для металла признаками, то изменения в свойствах могут быть еще значительнее. Например, полоса стали с содержанием углерода 0,5% будет иметь один и тот же химический состав до и после закалки, между тем ее структура и свойства после закалки изменятся. Если произвести закалку подобной же стальной полосы, но с содержанием углерода 0,7%, то результат закалки будет уже иной.

О структуре (строении) металлов можно получить представление прежде всего по виду излома, наблюдаемого невооруженным глазом; структура, наблюдаемая невооруженным глазом или с увеличением не больше чем в 10 раз, называется макроструктурой.

Более подробно можно рассмотреть структуру металла в микроскоп. Начало применения микроскопа при изучении строения металлов было положено в 1831 г. инженером одного из уральских заводов П. П. Аносовым. Так как металлы непрозрачны, то под микроскопом их можно рассматривать только в отраженном свете. Для получения ясного изображения рассматриваемой под микроскопом поверхности необходимо, чтобы все точки ее находились на равном расстоянии от объектива, поэтому поверхности рассматриваемых под микроскопом металлов подвергают шлифованию. Однако рассматривая такой шлиф под микроскопом, трудно заметить подробности его структуры. Подвергая шлиф воздействию разъедающих жидкостей, действующих различно на цельную поверхность зерна и на поверхности соприкосновения зерен (границы зерен), мы получим в результате такой обработки (травления) под микроскопом отчетливую картину слегка рельефной поверхности. Если травлению подвергнуть шлиф сплава, то картина делается еще более сложной, так как обычно на различные структурные составляющие сплава травитель действует не только в разной степени, но и придает им различную окраску. Строение металла, наблюдаемое под микроскопом, называется микроструктурой.