Химические соединения

Образуются между элементами, далеко находящимися друг от друга в таблице Менделеева, а следовательно, атомы имеют большое различие в строении и свойствах. В отличие от твердых растворов химические соединения приобретают новую кристаллическую решётку, а следовательно, новые физико-механические свойства - высокую твёрдость, хрупкость и не поддаются обработке резанием.

Виды химических соединений:

а) валентные. Например, Al₂O₃; Fe₂O₃; Cu₂O. Формула этих соединений определяется правилом валентности;

б) фазы внедрения. Они так же, как и растворы внедрения, образуются между металлами и металлоидами путем внедрения по порам между атомами. Но в отличие от растворов внедрения приобретают новую кристаллическую решётку, а следовательно, и свойства (высокую твердость и хрупкость) и образуются при большом содержании металлоида.

Например, WС - карбид вольфрама, фаза внедрения. Растворяется в вольфраме по механизму внедрения всего 0,001 % С, раствор внедрения.

Fe₃C - карбид железа.

Fe₂N - нитрид железа;

4.3. Диаграмма состояния "железо-углерод"

На рис. 4.3 приведена диаграмма состояния «железо-углеррод» с концентрацией углерода от чистого железа до карбида железа (6,67% С).

Твердый раствор внедрения углерода в Fе_а называется ферритом (растворимость очень маленькая до 0,025% С, а остальное - 99,975% Fе). Поэтому феррит по свойствам мягкий и пластичный, как железо.

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ называется аустенитом (растворимость углерода больше, до 2,14 % С). По свойствам он тоже мягкий и пластичный.

При содержании углерода в железе 6,67% образуется химическое соединение Fe₃C - карбид железа.

Он обладает высокой твердостью и хрупкостью, как цемент (отсюда другое название - цементит).Fe₃C - распадается примерно при 1550°С.

Рис. 4.3. Диаграмма состояния «Железо - Цементит»

Точка А (1539^о С) на диаграмме отвечает температуре плавления чистого железа, а точка D (1550^o С) - температуре распада цементита, точка G (910^о С) соответствует полиморфному превращению в железе, точка Е характеризует предельную растворимость углерода в γ - железе при 1147^o С (2,14%С), а точка Р - предельную растворимость углерода в α - железе при 727^o (0,025%С).

Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температуры, соответствующей линии ликвидус АСD.Конец кристаллизации соответствует температурам, образующим линию солидус АЕСF. В сплавах, содержащих углерода до 2,14%, кристаллизация закончится с образованием чистого аустенита. В интервале температур от 1392^o до температуры плавления сплавы с содержанием углерода до 0,51% претерпевают перитектическое превращение, которое не оказывает значительного влияния на термическую обработку, так как оно заканчивается образованием аустенита, и поэтому это превращение с целью упрощения нами опущено.

Теперь рассмотрим кристаллизацию сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%. Например, рассмотрим кристаллизацию сплава №1 с тремя процентами углерода. При охлаждении до t₁ идёт охлаждение ненасыщенной жидкости. При t₁ жидкость становится насыщенной по отношению к кристаллам твёрдой фазы и начинается процесс кристаллизации. Чтобы узнать, какие кристаллы будут выпадать из жидкости, воспользуемся правилом коноды. Конода - это горизонталь, концы которой соединяют химические составы фаз в равновесии при любой температуре. Проводится она до сплошных линий диаграммы. При t₂ линия mn - это конода. Химический состав жидкости определится проекцией точки «m» на ось концентраций, а химический состав кристаллов аустенита — проекцией точки «n». Следовательно, исходя из правила коноды, из жидкости будут выпадать кристаллы аустенита.

В результате при кристаллизации от t₁ до 1147^o химический состав жидкости меняется по линии ликвидус и приходит в точку С. Химический состав кристаллов аустенита изменяется при этом по линии солидус и приходит в точку Е.

При 1147^o жидкость, которая по составу пришла в точку С, становится насыщенной одновременно и кристаллами цементита, и кристаллами аустенита и идет эвтектическая реакция:

Эта смесь кристаллов аустенита и цементита называется эвтектикой или ледебуритом. Ниже 1147^o сплав будет находиться в твердом состоянии и структура у него будет аустенит и ледебурит.

Сплав, содержащий углерода 4,3%, называется эвтектическим и затвердевает он в результате эвтектической реакции с образованием чистого ледебурита, состоящего из кристаллов аустенита и цементита.

Сплавы, расположенные левее эвтектического сплава (от 2,14 до 4,3%С) называются доэвтектическими, а правее (4,3...6,67%С) называются заэвтектическими.

Заэвтектические сплавы кристаллизуются так же, как и доэвтектические сплавы, только вместо кристаллов аустенита из жидкости выпадают кристаллы цементита (Ц₁). После затвердевания эти сплавы имеют структуру: кристаллы цементита и ледебурита. Причем цементит, кристаллизующийся из жидкости по линии СD, называется первичным цементитом.

Теперь рассмотрим вторичную кристаллизацию, то есть превращения, которые происходят всплавах при дальнейшем охлаждении после кристаллизации. Эти превращения связаны в основном с полиморфным превращением и соответственно с распадом аустенита.

Линия GSна диаграмме (рис. 33) при охлаждении соответствует температурам начала полиморфного превращения γ→α. Поэтому ниже этой линии из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обозначать А_r3 при охлаждении и A_c3 при нагреве (табл. 3), то есть когда феррит полностью растворится в аустените.

Линия ES - это линия предельной (максимальной) растворимости углерода в аустените. С понижением температуры растворимость уменьшается от 2,14% при 1147^o до 0,8% С при 727^o и избыток углерода выпадает в осадок в виде цементита вторичного (Ц_II). Критические точки, образующие линию ES обозначают А_cm.

Следовательно, в сплаве №1 при охлаждении от 1147 до 727^o из аустенита будет выпадать вторичный цементит.

PQ - это то же, что и ES, но только в феррите, и выпадает в осадок цементит третичный (Ц_III).

При 727^o аустенит по составу приходит в точку S (0,8% С) и становится насыщенным и ферритом, и цементитом и идет эвтектоидная реакция:

Эта смесь феррита и цементита называется эвтектоидом или перлитом. Следовательно, ниже 727^o вместо аустенита будет перлит (см. рис. 33).

Температуру эвтектоидного превращения (727^o С) обозначают A_r1 (при охлаждении) и A_c1 (при нагреве) (табл. 3).

Сплавы, содержащие углерода от 0,025 (точка Р) до 0,8% (точка S), называются доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррит, который образуется в интервале температур ниже линии CS до 727^o С, и перлит, образующийся по эвтектоидной реакции (рис. 34, б).

Сплавы, содержащие углерода до 0,025%, называются техническим железом, имеют структуру из чистого феррита (это у сплавов до точки Q) (рис 34, а) или феррита с небольшим количеством выделений по границам зерен Ц_III (это у сплавов от точки Q до точки Р).

Сталь, содержащая углерода 0,8%, называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только чистый эвтектоид - перлит (рис. 34, в).

Рис. 34. Микроструктуры углеродистых сталей: а) - техническое железо; б) - доэвтектоидная сталь; в) - эвтектоидная сталь; г) - заэвтектоидная сталь

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% C, называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, образовавшегося в интервале температур от линии ЕS до 727^o С, и перлита, образовавшегося в результате эвтектоидной реакции при 727^o С (рис. 34, г), причем вторичный цементит залегает по границам перлитных зерен в виде тонкой хрупкой сетки, что нежелательно, так как по этой хрупкой сетке зерна перлита выкрашиваются.

Сплавы, содержащие углерода свыше 2,14%, называются чугунами. У них ниже 727^o С вместо аустенита будет перлит, поэтому ледебурит будет состоять из перлита и цементита, и его называют превращенным ледебуритом.

Таблица 3

Обозначение критических точек (линий) на диаграмме «железо-углерод»