Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 1 - Вест А.
ISBN 5-03-000056-9
Скачать (прямая ссылка):
•486
11. Интерпретация фазовых диаграмм
Железо может существовать в трех полиморфных модификациях: а — кубической объемноцентрированной, устойчивой <910°С; у — кубической гране-центрированной, устойчивой в интервале 910—1400 °С, и б — еще одной кубической объемноцентрированной, устойчивой от 1400 °С до температуры плавле-..ния 1534 °С. у-Железо может образовывать твердый раствор с углеродом вплоть до 2,06 масс.% углерода, т. е. растворимость углерода довольно значительна. Предельная растворимость углерода в а- и б-формах железа намного меньше — 0,02 и 0,1 масс.% соответственно.
•2.9А—
¦3.6А-
атомы в О вершинах куба о атом Ре ^ в центре куба ® атомы Ре в центрах
граней куба. л в межузельныи С
ос-Ре (ОЦК) У-Ре ( г.цк)
Рис. 11.21. Межузельные позиции, занимаемые углеродом в а-Ре и у-Ие.
Столь большое различие способности а- и у-форм железа растворять углерод легко объяснимо. Несмотря на плотную упаковку гранецентрированной структуры у-железа по сравнению с а-железом, межузельные позиции, которые мог бы занять углерод в у-железе, имеют больший размер, чем в а-железе (хотя количество таких позиций больше в а-железе).
Предоставляемые углероду междоузлия в структуре а-железа располагаются в центре граней элементарной ячейки, а в структуре у-железа — в центре куба (рис. 11.21). В а-железе межузельные позиции искажены: ребро элементарной ячейки составляет 2,866 А, и, следовательно, два расстояния Ре—С равны 1,433 А, тогда как от четырех других атомов железа элементарной ячейки углерод удален на 2,03 А. В у-железе октаэдрические междоузлия имеют неискаженный характер: все 6 расстояний железо — углерод одинаковы, равняются половине ребра элементарной ячейки и составляют 1,796 А. (Приведенные параметры ячейки уРе относятся к 22 °С; при Тя*900°С расстояния на несколько процентов увеличиваются.)
Углеродистые стали содержат <1 масс.% углерода; в конструкционных сталях на долю углерода приходится 0,2—0,3 масс.%. После кристаллизации расплавов в таких сталях при температурах 800—1400 °С образуется твердый раствор углерода в у-железе {аустенит) (рис. 11.20). Однако этот твердый раствор при более низких температурах (<723°С) неустойчив, так как при фазовом переходе ч-Ре-^а-Ре выделяется фаза цементита Ре3С. Процесс разложения твердого раствора зарождается на границах аустенитных зерен; при этом кристаллы цементита и феррита а-Ретв.р растут, касаясь своими поверхностями, и дают в итоге слоистую микроструктуру, известную под названием перлита.
При быстром охлаждении стали распад с образованием цементита и феррита не успевает пройти, и возникает мартенсит, содержащий углерод в состоянии твердого раствора, структура которого представляет собой деформированный аустенит. Избыточно растворенный углерод может выделиться в составе цементита при отпуске стали (т. е. повторном нагреве), что приводит к возникновению мелкозернистой текстуры перлита.
11.4. Трехкомпонентные конденсированные системы
48?
Твердость стали очень сильно зависит от условий охлаждения и (или) последующего отпуска. Мартенситиые стали проявляют высокую твердость, что связано, по-видимому, в основном с напряженным состоянием кристаллов мартенсита, препятствующим легкому скольжению дислокаций. В сталях с перлитной структурой твердость зависит от размеров, количества и распределения зерен цементита, обладающих чрезвычайно высокой твердостью: чем сильнее выражена мелкозернистость текстуры, состоящей из большого числа плотно уложенных мелких зерен, тем выше твердость стали. Медленное-охлаждение стали или отжиг при температуре несколько ниже 723 °С приводит к медленному распаду мартенсита, в результате чего возникает перлитная текстура с зернами крупного размера. Более тонкую перлитную текстуру получают, используя большие скорости охлаждения (которые приводят к мартенситу) и последующий отпуск при низкой температуре (—200 °С).
11.4. Трехкомпонентные конденсированные системы
Трехкомпонентные (или тройные) системы характеризуются четырьмя независимыми переменными: давлением, температурой и содержанием двух компонентов. Если концентрации двух компонентов в какой-либо фазе фиксированы, то концентрацию-третьего компонента можно определить по разности. В этой главе для простоты не рассматриваются системы с летучими компонентами, что дает возможность использовать правило фаз-для конденсированных систем, т. е. в виде Р + /|,= С-т-1=4. При этом условии ноивариантное состояние тройной системы возникает тогда, когда сосуществуют четыре фазы (как правило, три кристаллические фазы и одна жидкая). Такое равновесие может наблюдаться при единственной вполне определенной температуре.
Состав тройных систем чаще всего изображают, используя равносторонний координатный треугольник, углы которого соответствуют трем чистым компонентам. Температуры откладывают по вертикальной оси, перпендикулярной плоскости треугольника составов. Таким образом, для полного представления фазовых превращений, происходящих при изменениях состава и температуры, необходима трехмерная координатная призма. Чтобы изобразить тройные равновесия на плоскости,, прибегают либо к проекциям поверхностей ликвидуса на треугольник составов (близкой аналогией таких построений являются географические контурные карты, представляющие в проекции особенности земной поверхности), либо к построению изотермических сечений фазовой диаграммы. Ниже будут рассмотрены оба типа диаграмм.
