Существует четыре основных применения фазовых диаграмм:
- Разработка новых сплавов на основе требований применения.
- Производство этих сплавов.
- Разработка и контроль соответствующих процедур термообработки, которые предназначены для улучшения химических, физических и механических свойств сплавов.
- Устранение проблем, возникающих при применении новых сплавов, что в конечном итоге улучшает предсказуемость свойств продукта.
При разработке сплава фазовые диаграммы помогают предотвращать проектирование чрезмерно большого количества вариантов, сокращая затраты и время обработки. Они также помогают разрабатывать альтернативные сплавы или такие же, но с альтернативными легирующими элементами.
Компонентный состав
Диаграмма железо-углерод была разработана, чтобы показать микроструктурное состояние металла как функцию температуры и содержания углерода. Она показывает, что, в зависимости от интенсивности охлаждения стали, в ней могут возникать очень разные микроструктуры.
Когда металл расплавлен, то есть находится в жидком состоянии, решётчатые структуры отсутствуют. Атомы могут свободно перемещаться во всех направлениях. Чтобы достичь желаемых кристаллических структур, необходимо, чтобы металл медленно и полностью остыл при комнатной температуре. Промежуточные термические обработки положительно влияют на формирование кристаллических структур.
По вертикальной оси диаграммы железо-углерод располагается шкала температур в °C. Металл показан здесь от твердого до жидкого состояния. Например, чистое железо начинает плавиться при 1147°C. Температура устойчивого состояния расплава — 1536 °C.
По горизонтальной оси указывается процентное содержание углерода в металле.
Линии, которые соединяют характерные точки диаграммы, отмечают трансформацию металла. Они разделяют участки, где металл находится в в состоянии преобразования из твёрдого состояния в жидкое. Но одновременно диаграмма состояния «железо-углерод» определяет и реорганизацию атомов в кристаллической решётке.
Диаграмма показывает участки, в которых металл находится только в состоянии. расплава, феррита или аустенита. Остальные зоны характеризуются определённым сочетанием свойств. Это, например, расплав и аустенит, аустенит и феррит, феррит и перлит.
Обозначение точек пересечения заглавными буквами на линиях преобразования предназначено для лучшего понимания. Они указывают на переход в другое состояние или условие.
Диаграмма предполагает постоянное охлаждение металлов. Если металл медленно охлаждать, образуются крупные зёрна, если же металл остывает быстро, то размеры зёрен уменьшаются. Тип зерна металла определяет его прочностные свойства. Крупнозернистый материал имеет меньшую прочность, но его можно сделать более мелким и, следовательно, более прочным путём термической обработки или пластического деформирования (упрочнением). Самый высокий уровень прочности имеет именно мелкозернистый металл.
Выполним краткую характеристику основных химических компонентов диаграммы.
Железо
Железо образует кубическую пространственную решётку. Атомы железа расположены по углам этой решётки. Количество углерода, которое может быть растворено в железе, зависит от модификации железа, потому что разные формы кристаллической решетки железа (например, кубическая пространственно-центрированная и кубическая гранецентрированная) имеют межстраничные промежутки разного размера.
Второстепенную роль играет дельта-смешанный кристалл, который имеет объемно-центрированные атомы, но существует только в высоколегированных сталях. Эти кристаллы образуются в диапазоне температур от 1536 °C (точка плавления чистого железа) до 1392 °C.
Альфа-смешанный кристалл существует как объемно-центрированная кубическая решетка. Эти структуры образуются в чистом железе до температуры 911 °C.
В гамма смешанном кристалла атомы железа гранецентрированы, и это означает, что они расположены в середине каждой грани куба. Эти кристаллы образуются при температурах от 1392 °C до 911 °C в чистом железе.
Углерод
В низких концентрациях, углерод не образует твёрдого химического соединения с железом, но откладывается в промежутках кристаллической решетки железа.
Углерод в железе является примесью внедренияи может существовать в форме гранецентрированную или объемно-центрированной кубической решётки. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод устанавливает области стабильного существования твёрдого раствора с α, γ и δ фазами железа.
Описанные выше кристаллические решётки имеют различную растворимость углерода в зависимости от температуры. Углерод осаждается в междуузельных пространствах кристаллической решётки, при этом гранецентрированная кубическая решетка, также называемая аустенитом, имеет растворимость не более чем в сто раз выше, чем кристаллы феррита.
Цементит
Цементит — метастабильная фаза сплава с фиксированным составом, имеющий химическую формулу Fe3C. При комнатной температуре цементит очень медленно разлагается на железо и углерод (графит).
Некоторые другие факторы (например, высокие температуры и добавление определенных легирующих элементов) могут влиять на это разложение, поскольку они способствуют образованию графита.
Цементит твёрдый и хрупкий, что делает его пригодным для упрочнения сталей (существует специальная технология химико-термической обработки стали, которая называется цементацией). Механические свойства цементита зависят от его микроструктуры, а также от условий связи с ферритом.
Жидкий раствор Fe-C на диаграмме обозначается выше линии L (ликвидус). Поскольку δ-феррит плавится при 1538 °C, очевидно, что температура плавления железа снижается с увеличением содержания углерода.
Перлит
Зёрна перлита включают в себя структурные объединения, где все образовавшиеся пластины между собой параллельны. При возрастании числа перлитных конкреций рост размеров пластин приостанавливается, а сами они могут изменить направление своего движения. С уменьшением температуры колонии перлита превращаются в шаровидные мелкозернистые образования.
Ледебурит в сталях
Ледебурит — один из основных структурных компонентов железоуглеродистых сплавов и является эвтектическую смесью аустенита и цементита, которая образуется при 1145°C и ниже (для чистых железоуглеродистых сплавов). Аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь при температурах ниже 723°C. В сталях ледебурит, состоящий из аустенита и карбидов, образуется только при очень высоком содержании компонентов сплава и углерода (0,7…1,0%); такие стали (называются ледебуритовыми сталями.
Метастабильная нелегированная эвтектика ледебурита Fe – Fe3C классифицируется как квазирегулярная. Доказано, что после зарождения Fe3C рост пластин цементита происходит быстро, в результате на стыках образуется аустенит, и возникает взаимосвязь ориентации. Fe3C и аустенит также растут совместно и образуют стержневую структуру, которая располагается перпендикулярно пластинам цементита. Эти два режима роста образуют квазирегулярную структуру, но рост по краю происходит быстрее, чем по бокам, и доминирует в структуре. Эксперименты по направленной кристаллизации показали, что рабочая точка на кривой роста квазирегулярной структуры близка к точке экстремума. Такую квазирегулярную структуру можно модифицировать закалкой, но модификация примесей пока не исследовалась.
Структурная подложка сталей ледебуритного класса имеет доэвтектические компоненты, включающие перлит, ледебурит и шаровидный графит. Легированный слой состоит из дендритов и междендритов. В чугуне с шаровидным графитом конкреции графита постепенно растворяются в ванне расплава, и в то же время под действием гидродинамических сил и сил текучести перемещаются к поверхности.
Углерод
Алмаз. При слове «алмаз» сразу же вспоминаются окутанные завесой тайны истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод – тот самый углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этого зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 700 о С, не оставляя твердого остатка, как и обычный древесный уголь.
Необработанные алмазы
В структуре алмаза каждый атом углерода имеет четырех соседей, которые расположены от него на равных расстояниях в вершинах тетраэдра. Весь кристалл представляет собой единый трёхмерный каркас. С этим связаны многие свойства алмаза, в частности его самая высокая среди минералов твёрдость. Она-то и дала камню имя, которое происходит от греч. «адамас» — «твердый, непреклонный, несокрушимый».
Кристаллы алмаза, особенно огранённые (бриллианты), очень сильно преломляют свет. Этим и обусловлена знаменитая «игра бриллиантов».
В России ювелирные алмазы вошли в моду в середине XVIII в. Ими украшали не только царские диадемы и скипетры, но также брелки, застежки, трости, табакерки и даже обувь! Мелкие алмазы используются для резки стекла и металлов, служат наконечниками свёрл, резцов. Алмазный порошок издревле применяют для полировки и огранки драгоценных камней.
Графит. В древности графит считали одним из минералов свинца, возможно из-за того, что, подобно свинцу, он оставляет на бумаге след (поэтому из графита делают грифели). В XVIII в. К. В. Шееле доказал, что графит представляет собой минеральный уголь». Родственные отношения между алмазом и графитом были подробно изучены коллегой Лавуазье французским химиком Луи Бернаром Гитоном де Морво: при осторожном нагревании алмаза без доступа воздуха он получил порошок графита.
Графит
Графит – мягкое вещество серого цвета. Атомы углерода связаны в нем в плоские слои, состоящие из соединенных рёбрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот. Каждый атом в таком слое имеет трёх соседей. Для образования трёх ковалентных связей атом предоставляет три электрона, а четвертый электрон, образуя π-связи, делокализован по всему кристаллу. Этим объясняются такие свойства графита, как металлический блеск и электропроводность.
Поскольку электронные облака атомов из соседних плоских слоев перекрываются, между слоями возникают слабые связи, которые рвутся даже при незначительной нагрузке. Для того чтобы убедиться, достаточно провести карандашом по листу бумаги: на листе останется след из чешуек графита.
Графит широко применяется в технике. Графитовый порошок используется для изготовления минеральных красок, а также в качестве смазочного материала – между отдельными слоями графита взаимодействие настолько слабое, что возникает скольжение. Графитовые стержни служат электродами во многих электрохимических процессах; из смеси графита с глиной изготовляют тигли для плавки металлов. Блоки из особо чистого графита являются основным материалом для создания атомных реакторов. В первом отечественном реакторе, например, было использовано 450 т графита.
В отсутствии кислорода графит и алмаз выдерживают нагревание до высоких температур: эти вещества переходят в газовую фазу в виде молекул Сn лишь при 3000 о С. Поэтому графит используют как теплозащитный материал для головных частей ракет.
Химические свойства углерода
При обычной температуре углерод малоактивен. При нагревании он реагирует со многими простыми и сложными веществами.
Углерод может быть как окислителем, так и восстановителем, поэтому в соединениях может проявлять положительную и отрицательную степень окисления.
Как и другие неметаллы, углерод проявляет свойства при взаимодействии с кислородом и другими более электроотрицательными элементами.
а) углерод горит на воздухе с выделением большого количества тепла. При этом образуется СО2:
При недостатке кислорода образуется СО:
б) раскаленный углерод реагирует с парами серы, легко соединяется с хлором и другими галогенами:
в) так как для углерода в отличие от других неметаллов весьма характерны восстановительные свойства, он может восстанавливать оксиды металлов и неметаллов:
Это свойство углерода широко используется в металлургии.
г) при пропускании через раскаленный уголь водяного пара получается смесь оксида углерода (II) с водородом, или водяной газ:
Углерод проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами и водородом.
а) углерод взаимодействует с металлами, образуя карбиды металлов:
В промышленности карбид кальция получают при взаимодействии углерода с негашеной известью СаО, которую получают из известняка СаСО3:
Кислородные соединения углерода
Оксид углерода (II) СО, или угарный газ. Он не имеет запаха и цвета, плохо растворим в воде, токсичен.
В лаборатории его получают разложением муравьиной кислоты при нагревании в присутствии серной кислоты или фосфорного ангидрида:
Фазы в системе “железо-углерод”
Фазы — это физически однородные состояния сплава. Фаза имеет точный химический состав — определенное расположение и связь между атомами. Такая структура атомов придает разные свойства различным фазам.
Некоторые специальные сплавы могут существовать в нескольких фазах, что достигается нагревом металла до определенных температур и использованием разных процедур термообработки.
Жидкая
Существует при температуре, которая превышает 1457 oC. Фазовое превращение при этой температуре означает полное плавление, поэтому на диаграмме жидкая фаза всегда обозначается линией L.
Феррит
На диаграмме присутствует в трёх разных фазах:
- Фаза дельта-феррита (δ-Fe) представляет собой твердый раствор C в δ-Fe (ОЦК) в высокотемпературной области диаграммы. Раствор стабилен при температуре выше 1400 °C и плавится при температуре выше 1539 °C. Структурно подобен α-ферриту;
- Фаза гамма-феррита (γ-Fe) является твёрдым раствором C в γ-Fe, который называют аустенитом. Нестабилен ниже температуры 910 °C, превращаясь в δ-феррит при 1395 ° C.. Максимальная растворимость углерода составляет около 2,1% при 1147 °C. Аустенит мягок и пластичен, не обладает магнитными свойствами;
- Фаза альфа-феррита (α-Fe) представляет собой твердый раствор C в α-Fe с ОЦК-решёткой. Считается самой стабильной формой железа при комнатной температуре. Максимальная растворимость углерода составляет около 0,02% при 727 °C. Мягче аустенита, магнитен.
Аустенит в сталях
Аустенит всегда присутствует в нержавеющих сталях, которые содержат от 16 до 26 процентов хрома и до 35 процентов никеля. Аустенитные стали, помимо высокой коррозионной стойкостью, не закаливаются при термической обработке и немагнитны.
Формы существования цементита важны для определения коррозионной стойкости сталей. Доказано, что цементит (Fe3C) увеличивает скорость коррозии, причём этот эффект более выражен, когда он образует когерентную сеть на поверхности. В нормализованных сталях цементит образует когерентную сетку, а в отпущенном мартенсите — нет. Поэтому цементит влияет на скорость коррозии нормализованной, но не закалённой стали.
В целом скорость коррозии углеродистой стали снижается с увеличением содержания хрома из-за образования защитного оксида хрома. Однако, когда хром соединяется с углеродом с образованием карбида хрома, положительный эффект хрома теряется.
Влияние микроструктуры различных низколегированных сталей, показанное на этой модели, распространяется только на условия, в которых не образуются защитные плёнки. Более того, образование карбидной сетки на поверхности нормализованной стали — процесс, зависящий от времени.
Физические свойства
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Изотопы углерода
Основная статья: Изотопы углерода
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12C (98,93 %) и 13C (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14C (β-излучатель, Т½= 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.
На образовании и распаде 14C основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.
Узловые критические точки
Диаграмма «железо-углерод» с пояснениями позволяет облегчить изучение кинематики формирования различных микроструктур. Фазовые диаграммы помогают металлургам понять, какие фазы являются термодинамически стабильными, метастабильными или нестабильными. Пользуясь ими, можно выбрать соответствующие элементы для легирования стали. Фазовые диаграммы показывают нам также, как решать такие проблемы, как межкристаллитная коррозия, горячая коррозия, водородное повреждение и т.п.
Характерной точкой на диаграмме является точка эвтектики — место, где встречаются несколько фаз. На диаграмме «железо-углерод» эвтектическая точка находится там, где пересекаются линии A1, A3 и ACM. Образование этих точек случайно.
В этих точках происходят эвтектические реакции, при которых жидкая фаза затвердевает и превращается в смесь двух твердых фаз. Это происходит при охлаждении жидкого сплава эвтектического состава до его эвтектической температуры.
Сплавы, образующиеся на этом этапе, известны как эвтектические сплавы. Слева от этой точки сплавы называются заэвтектическими, а справа – заэвтектическими.
Нахождение углерода в природе
Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО3, доломита – MgCO3*CaCO3; гидрокарбонатов – Mg(НCO3)2 и Са(НCO3)2, СО2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.
Значение линий диаграммы
Границы, пересекающиеся друг с другом, отмечают определенные области на диаграмме. Внутри каждой зоны может существовать отдельная фаза или две фазы. На границе происходит фазовый переход. Эти области являются фазовыми полями, они указывают фазы, присутствующие для определенного состава и температуры сплава.
На диаграмме имеется несколько характерных линий, обозначаемых как A1, A2, A3, A4 и ACM. При повышении или понижении температуры металла на этих границах происходит фазовый переход. Обычно при нагревании сплава его температура повышается, но вдоль этих линий нагрев приводит к перестройке структуры в другую фазу, и, таким образом, температура перестаёт расти до тех пор, пока фаза полностью не изменится. Этот процесс называется термической остановкой.
Элементы легированной стали — никель, марганец, хром, и молибден — влияют на положение этих границ на фазовой диаграмме. Границы могут сдвигаться в любом направлении в зависимости от используемого элемента. Например, на диаграмме состояния железа и углерода добавление никеля понижает границу A3, а добавление хрома увеличивает её.
