HomeСталь, сплавы › Современный вид диаграммы состояний Fe—С системы

Современный вид диаграммы состояний Fe—С системы

Современный вид диаграммы состояний Fe—С системыК числу черных металлов относят главным образом железо и его сплавы; важнейшими из этих сплавов являются сталь и чугун. Хотя эти сплавы часто являются сложными по составу (многокомпонентными), но в основном состоят из двух главнейших компонентов: железа (Fe) и углерода (С), поэтому их с известным приближением можно рассматривать как двойные сплавы (Fe — С).

 

Отсюда изучение этих сплавов нужно начать с рассмотрения диаграммы состояний системы Fe — С, которая должна показать, какие фазы присутствуют равновесно при соответствующих температурах в любых сплавах системы, какие превращения происходят в них при нагревании и охлаждении и какую структуру они имеют в состоянии равновесия.

 

Основываясь на этих данных и определив, природу и свойства фаз, составляющих сплавы, можно далее судить и о свойствах сплавов в целом в связи с их структурой, т. е. познать стали и чугуны как технические материалы, применяемые в практике. Ознакомившись с соответствующими сплавами в состоянии равновесия, далее рассмотрим сущность процессов, структуру и свойства, приобретаемые ими в результате обработки механической и тепловой, а также в связи с теми явлениями, которые имеют место во время; затвердевания их при литье (отливке).

 

Современный вид диаграммы состояний Fe-С системы

Такой вид она приняла: в результате множества исследований, начало которых было положено Д. К- Черновым в 1868 г. открытием существования критических точек в стали и их зависимости от содержания в ней углерода. Однако нахождение точных температур этих точек и построение диаграммы состояний в целом стало возможным лишь после изобретения приборов, позволяющих измерять высокие температуры, т. е. пирометров, а также в связи с развитием теоретических знаний — учения о растворах и приложения к ним законов термодинамического равновесия.

 

Поэтому первая диаграмма системы Fe — Сбыла построена лишь в 1899 г. английским ученым Робертс-Аустеном на основании как собственных пирометрических исследований, так и предшествующих наблюдений других ученых. Эта первая диаграмма, весьма несовершенная, с незаконченными линиями превращений была вскоре (1900 г.) представлена в более совершенном, законченном, виде голландцем Розебумом, приложившим к построению ее учение о фазах и их равновесии.

 

Далее диаграмма в основном сохранила свой вид, подвергаясь изменениям лишь в смысле уточнения формы и положения отдельных линий и значений особенных точек. Отдельные поправки производились затем непрерывно, вплоть до нашего времени многими исследователями как русскими, так и иностранными (среди первых можно отметить имена Гутовского, Витторфа, Байкова и др.; из иностранных- Осмонда, Гейна, Геренса, Ганеманна, Меела и др.).

 

Нужно полагать, что и в настоящем виде она не является незыблемой, и положение отдельных линий и точек в ней может быть в будущем подвергнуто исправлению или дополнению.

 

Подтверждением этому может служить то разногласие, которое существует и в настоящее время относительно положения некоторых точек диаграммы.

В этой диаграмме прежде всего обращают на себя внимание следующие особенности.

 

1. Диаграмма неполная, т. е. не доведена до 100% углерода, а занимает ее незначительную часть, доходящую лишь до 6,7% .С (точнее, 6,67%). То, что мы ограничиваемся здесь относительно небольшой концентрацией углерода, находит объяснение прежде всего в том, что более высокое содержание углерода не встречается в нормальных (технических) чугунах и сталях, и, следовательно, сплавы с более высоким содержанием углерода не представляют практического интереса; вместе с тем исследование высокоуглеродистых сплавов весьма трудно вследствие их большой тугоплавкости и непрочности.

 

Что же касается цифры 6,67, то она отвечает как раз составу карбида железа Fe8C, т. е. химического соединения, которое, как известно (§ 29), может играть в системе роль самостоятельного компонента и в качестве такового образует с железом как бы отдельную диаграмму системы Fe — Fe3C.

 

 

2. Другая особенность приведенной диаграммы заключается в том, что ее часто изображают двойными линиями, представляющими одновременно как бы две диаграммы, несколько смещенные друг относительно друга, как на фиг. 87; здесь сплошными линиями изображена диаграмма уже отмеченной цементитной системы (Fe -Fe3C), а пунктирные линии относятся к графитной с и с т е м е, где в качестве второго компонента имеется не связанный углерод, а находящийся в свободном состоянии в виде графита.

 

Такое двойственное толкование диаграммы объясняется поведением железоуглеродистых сплавов, в которых действительно углерод наблюдается то в связанном состоянии — в форме цементита, то в свободном — в форме графита.

 

Наиболее четко это проявляется

1 Существует несколько исследований, посвященных высокоуглеродистой части диаграммы. Среди них особенно нужно отметить весьма обстоятельную и оригинальную экспериментальную работу нашего соотечественника, одного из учеников Д. К. Чернова, Н. М. Витторфа (19U9 г.). Из иностранных наибольшую известность получила работа Руф (в Германии).

 

2 Есть указания, что графит, наблюдаемый в Fe — С сплавах, ие является чистым углеродом, а представляет тоже твердый раствор. Однако в основном он весьма близок к тому графиту, который в природных условиях считают состоящим почти из одного углерода.

 

Поэтому с самого начала построения диаграммы в ней были проведены двойные линии, указывающие места образования цементита и графита. При этом считалось, что только при образовании графита система является вполне равновесной или устойчивой (стабильной); если же в системе наблюдается цементит, то она еще не вполне устойчива (м е т а с т а б и л ь н а).

 

Здесь имеем как раз такой случай, на который было указано , когда для системы дают одновременно две диаграммы: одну стабиль н у ю для вполне устойчивых, равновесных состояний и вторую м е т а с т а б и л ь н у ю для полуустойчивых, не вполне-равновесных состояний.

 

На диаграмме  первая проведена пунктиром и представляет систему железо — графит («графитная система»); вторая — метастабильная-проведена сплошными линиями и является системой железо — цементит («цементитная система»).

 

Признавая существование этих двух диаграмм, нужно полагать,, что присутствие цементита в сплавах не есть состояние истинного равновесия и последнее наступает лишь тогда, когда вместо карбида образуется графит.

 

Однако существование двух диаграмм состояний, из которых одна отвечает неполному равновесию, признается4 не всеми. Многие авторитетнейшие ученые считают, что нет надобности признавать, две диаграммы равновесия; по их мнению, существует только одна цементитная диаграмма, отвечающая полному равновесию, и из нее нужно исходить при рассмотрении всех Fe — С сплавов; что же-касается графита, наблюдаемого в сплавах, то ему нет места на диаграмме, так как он является продуктом реакции распадения цементита, наступающей уже после образования последнего, по реакции

Fe3C = 3 Fe -f- Сграаит.

 

Таким образом, согласно этой последней теории, равновесной фазой в железоуглеродистых сплавах является лишь цементит, и происхождение сплавов с графитом можно объяснить также успешно, основываясь на одной цементитной системе.

 

Не останавливаясь на объяснениях и доводах, приводимых сторонниками обоих взглядов в пользу того или другого, остановимся  для простоты изучения на одной диаграмме цементитной системы и разберем ее подробно, как диаграмму, отвечающую термодинамическому равновесию системы.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.