Фазалық тепе-теңдік диаграммасы (күй диаграммасы) темір—көміртек (кейде бұл диаграмманы “темір—цементит диаграммасы” деп атайды) — көміртекті темір қорытпаларының фазалық жай-күйінің химиялық құрамы мен температурасына байланысты графикалық бейнеленуі.Күй диаграммасы
Темір көміртегімен Fe3C химиялық қосылыс цементитті құрайды. Көміртегі мөлшері 5% – ға дейін темір негізіндегі металл қорытпаларды практикада қолданатындықтан, таза темірден цементитке дейін күй диаграммасының бөлігі іс жүзінде қызықты. Цементит-метастабильді фаза болғандықтан, онда тиісті диаграмма метастабильді (суреттегі тұтас сызықтар) деп аталады.

Сұр шойындар мен графитизацияланған болаттар үшін темір—графит (Fe—Гр) диаграммасының тұрақты бөлігін қарастырады, өйткені графит бұл жағдайда тұрақты фаза болып табылады. Цементит балқымадан әлдеқайда жылдам графиттен ерекшеленеді және көптеген болат пен ақ шойын метастабильділікке қарамастан, жеткілікті ұзақ өмір сүре алады. Сұр шойыннан графит бар.

Суретте жіңішке нүктелі сызықтармен тұрақты тепе-теңдік сызықтары (яғни графиттің қатысуымен) көрсетілген, онда олар метастабильді тепе-теңдік сызығынан (цементиттің қатысуымен) ерекшеленеді, ал тиісті нүктелер штрихпен белгіленген. Осы диаграммадағы фазалар мен нүктелерді белгілеу бейресми халықаралық келісімге сәйкес келтірілген.

Темір-көміртек жүйесінде келесі фазалар бар: сұйық фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Сұйық фаза. Сұйық күйінде темір көміртекті кез келген пропорцияда ерітеді[көзі 465 күн көрсетілмеген], біртекті сұйық фаза түзіледі.

Феррит-көлемді-орталықтанған текше тормен α-темірде көміртекті енгізудің қатты ерітіндісі.

Феррит айнымалы, температураға тәуелді көміртектің шекті ерігіштігі бар: ең төменгі — бөлме температурасында 0,006%, ең жоғарғы — 700 °C температурада 0,02% (P нүктесі). Көміртегі атомдары қырдың ортасында немесе (кристаллогеометриялық эквивалентті) текше қабырғаларының ортасында, сондай-ақ торлардың ақауында орналасады.

1392 °C-ден жоғары температурада 1500 °C-ге жуық температурада 0,1% – ға жуық шекті еритін Жоғары температуралы феррит бар (h нүктесі).

Феррит қасиеттері таза темірге жақын. Ол жұмсақ (бринелл бойынша қаттылығы — 130 НВ) және пластикалық, ферромагнитен (көміртегі болмаған жағдайда) Кюри — 770 °C нүктесіне дейін.

Аустенит (γ) — түйіршіктелген текше торы бар γ-темірге көміртекті енгізудің қатты ерітіндісі.

Көміртегі атомдары түйіршіктелген текше ұяшықтың ортасында орын алады. Аустениттегі көміртектің шекті ерігіштігі — 1147 °C температурада 2,14% (нүкте Е). Аустениттің қаттылығы 200-250 НВ, пластичен, парамагнитен бар. Басқа элементтердің аустенит немесе ферритте ерігенде олардың қасиеттері мен температуралық шекаралары өзгереді[3].

Цементит (Fe3C) — Темірдің көміртекпен химиялық қосылысы (темір карбиді), күрделі ромбикалық тормен, құрамында 6,67% көміртек бар. Ол қатты (1000 НВ жоғары) және өте нәзік. Цементит-метастабильді фаза және ұзақ қыздыру кезінде графиттің бөлінуімен өздігінен ыдырайды.

Темір көміртекті қорытпаларда цементит фаза ретінде әртүрлі жағдайларда бөлінуі мүмкін:

бастапқы цементит (сұйықтықтан шығарылады)),
екінші цементит (аустениттен бөлінеді)),
үшбұрышты цементит (ферриттен жасалған),
эвтектикалық және
эвтектоидты цементит.
Алғашқы Цементит сұйық фазадан ірі пластиналы кристалдар түрінде бөлінеді. Екінші реттік Цементит аустениттен бөлінеді және аустенит дәндерінің айналасында тор түрінде орналасады (эвтектоидты түрленуден кейін олар перлит дәніне айналады). Тректі Цементит ферриттен бөлініп, ұсақ қосылыстар түрінде ферритті дәндердің шектерінде орналасады.

Эвтектикалық цементит ақ шойында ғана байқалады. Эвтектоидты цементиттің пластиналы нысаны бар және перлиттің құрамдас бөлігі болып табылады. Цементит арнайы сфероидизирлейтін сығу немесе жоғары босатумен шыңдау кезінде ұсақ сфералар түрінде бөлінуі мүмкін. Қорытпалардың механикалық қасиеттеріне әсер цементиттің қосылымдарының пішіні, өлшемі, саны және орналасуы әсер етеді, бұл қорытпаның әрбір нақты қолданылуы үшін іс жүзінде қаттылықтың, беріктіктің, сынғыш бұзылуға төзімділіктің оңтайлы үйлесімділігіне және т. б. қол жеткізуге мүмкіндік береді.]

Графит-тек қабатты гексагональ торы бар көміртектен тұратын фаза. Графиттің тығыздығы (2,3 г/см3) барлық қалған фазалардың тығыздығынан аз (шамамен 7,5—7,8 г/см3) және бұл оның түзілуін қиындатады және баяулатады, бұл тез салқындағанда цементиттің бөлінуіне әкеледі. Графиттің пайда болуы кристалдану кезінде шөгуді азайтады, графит тозуды азайтып, үйкеліс кезінде майлаудың рөлін орындайды, тербеліс энергиясының шашырауына ықпал етеді.

Графит ірі краб тәрізді (иілген пластиналы) қосындылардың (қарапайым сұр шойын) немесе сфералардың (жоғары берік шойын) нысаны бар.

Графит сұр шойындарда және олардың түрлері-жоғары төзімді шойын. Графит Болаттың кейбір маркаларында да бар — графитизацияланған болаттарда.

Фазалық ауысулар
ACD сызығы-бұл болат пен ақ шойындардың қатаю (балқу соңы) басталу температурасын көрсететін ликидус сызығы. ACD сызығынан жоғары температурада-сұйық қорытпа. AECF сызығы-қатаю аяқталуының температурасын көрсететін солидус сызығы.

АС ликвидус желісі бойынша (АС желісіне жауап беретін температураларда) сұйық қорытпадан аустенит кристалданады, ал CD ликвидус желісі бойынша — цементит бастапқы цементит деп аталады. С нүктесінде 1147 °С кезінде және құрамында 4,3% сұйық қорытпадан көміртегі бір мезгілде аустенит және алғашқы цементит кристалданады, ледебурит деп аталатын эвтектика түзеді. Солидус AE сызығына сәйкес келетін температураларда көміртегі мөлшері 2,14% дейінгі қорытпалар аустенит құрылымының пайда болуымен түпкілікті қатаяды. Солидус EC (1147° С) желісінде 2,14-тен 4,3% – ға дейінгі көміртегі бар қорытпалар эвтектика ледебуриттің пайда болуымен түпкілікті қатады. Жоғары температураларда сұйық қорытпадан аустенит бөлінгендіктен, демек, қатаюдан кейінгі мұндай қорытпалар аустенит + ледебурит құрылымы болады.

Солидус желісінде CF (1147 °С) құрамында 4,3-тен 6,67% – ға дейінгі көміртегі бар қорытпалар эвтектика ледебурит түзілуімен де түпкілікті қатаяды. Жоғары температураларда сұйық қорытпадан цементит (бастапқы) бөлінгендіктен, қатаюдан кейін мұндай қорытпалар құрылымы болады-бастапқы цементит + ледебурит.

ACEA аймағында, ac ликвидус сызығы мен AEC солидусының арасында сұйық қорытпасы + аустенит кристалдары болады. CDF аймағында CD ликвидус желісі мен CF солидус желісі арасында сұйық қорытпа + цементит кристалдары (бастапқы) болады. Қорытпалардың қатаюы кезінде өтетін түрленулер бастапқы кристалдану деп аталады. Бастапқы кристалдану нәтижесінде құрамында 2,14% дейін көміртегі бар барлық қорытпаларда бір фазалы құрылым — аустенит пайда болады. Тепе-тең жағдайларда бастапқы кристалдану нәтижесінде аустениттік құрылым алынатын Темірдің көміртекті қорытпалары болаттар деп аталады.

Құрамында 2,14% астам көміртегі бар қорытпалар, онда кристалдану кезінде эвтектика ледебурит түзіледі, шойын деп аталады. Қарастырылып отырған жүйеде барлық көміртегі цементит түрінде байланысты күйде болады. Мұндай шойындардың сынуы ашық, жылтыр (ақ сынық), сондықтан мұндай шойындар ақ деп аталады.

Темір көміртекті қорытпаларда айналулар қатты күйде де, екінші кристалдану деп аталатын және GSE, PSK, PQ желілерімен сипатталатын болады. GS желісі аустениттің ферритке (суыту кезінде) айналуының басталуын көрсетеді. Демек, GSP аймағында аустенит + феррит құрылымы болады.

SE желісі температураның төмендеуімен аустениттегі көміртектің ерігіштігі азаяды. Осылайша, 1147 °С кезінде аустениттегі көміртек 2,14 %, ал 727°С кезінде — 0,8% еруі мүмкін. Құрамында 0,8-ден 2,14% – ға дейін көміртегі бар болаттардағы температураның төмендеуімен аустениттен екінші реттік деп аталатын цементит түрінде артық көміртек бөлінеді. Демек, se сызығынан төмен (727°С температураға дейін) болат құрылымы бар: аустенит + цементит (екінші). Құрамында көміртегі 2,14-тен 4,3% – ға дейін 1147 °С кезінде, ледебуриттен басқа шойындарда аустенит бар, оның температурасы төмендеген кезде де екінші рет цементит бөлінетін болады. Демек, EC сызығынан төмен (727 °С температураға дейін) ақ шойын құрылымы бар: ледебурит + аустенит + екінші рет цементит.

PSK желісі (727° С) — эвтектоидты айналу сызығы. Бұл сызықта барлық темір көміртекті қорытпаларда аустенит феррит пен цементиттің механикалық қоспасы болып табылатын және перлит деп аталатын құрылымды қалыптастыра отырып ыдырайды. 727°С төмен темір көміртекті қорытпалардың мынадай құрылымдары бар.

Құрамында 0,8% аз көміртегі бар болаттардың феррит + перлит құрылымы бар және эвтектоидқа дейінгі болат деп аталады.
Құрамында 0,8 % көміртекті болат перлит құрылымы бар және эвтектоидты болат деп аталады.
Құрамында көміртегі бар болаттардың 0,8-ден 2,14 % – ға дейін цементит + перлит құрылымы бар және этектоидтық болат деп аталады.
Құрамында 2,14-тен 4,3% – ға дейін көміртегі бар ақ шойындар перлит + екінші цементит + ледебурит құрылымы бар және эвтектікке дейінгі шойын деп аталады.
Құрамында 4,3% көміртекті АҚ шойын ледебурит құрылымы бар және эвтектикалық шойын деп аталады.
Көміртек құрамы 4,3-тен 6,67% – ға дейінгі АҚ шойындар бастапқы цементиттің құрылымы бар + ледебурит және эвтектикалық шойын деп аталады [5].

Зергерлік техникада бағалы металдар: күміс, алтын және платина негізіндегі қорытпалар қолданылады. Бұл негізгі металдар. Алтын және күміс қорытпаларды имитациялау үшін мыс және алюминий негізіндегі кейбір қорытпалар қолданылады. Олар арзан өнімдер – Бижутерия жасау үшін ғана қолданылады.

Қорытпаның құрамына байланысты бөлме температурасында әртүрлі құрылымы болуы мүмкін. Қорытпаның құрылымдық жағдайы, қыздыру және суыту кезіндегі түрленулер күй диаграммаларымен сипатталады.

Өзара іс-қимыл екі құрамдас болады бейнелеп айтуға болады. Бұл сурет күй диаграммасы немесе тепе-теңдік диаграммасы деп аталады. Күй диаграммалары құрам координаттарында құрылады-температура. Олар құрамы, температурасы мен фазалық жағдайы, қорытпаның құрылымы арасындағы байланысты көрсетеді. Күй диаграммасының түрі қатты күйдегі компоненттердің өзара әрекеттесу сипатына байланысты.

Күй диаграммасын құру үшін абсцисс осіндегі бөлікті таңдайды, ол 100% компонент ретінде қабылданады (сурет. 3.4). Осылайша, егер қорытпада екі компонент болса, онда оның құрамы абсцисс осіндегі бір нүктемен анықталады. Ординат осі бойынша температура кейінге қалдырылады.
Сур. 3.4.

Екі компонентті қорытпаның графикалық бейнесі.

Зергерлік техникада қолданылатын кейбір металдар арасында қатты күйдегі шексіз ерігіш пайда болады. Бұл жүйелерге алтын-күміс, алтын-мыс, платина-иридий жатады. Қатты күйдегі шектелмеген ерігіш жағдайында күй диаграммасы суретте көрсетілген. 3.5. Күй диаграммасында екі сызық. Жоғарғы құймалар сұйық күйінде, яғни Балқыма түрінде болатын аймақты бөледі. Бұл желі “тарату желісі”деп аталады. Осылайша, ликвидус сызығынан жоғары температурада алтын мен күмістің барлық қорытпалары балқытылған металл болып табылады.Диаграммадағы төменгі сызық “солидус сызығы”деп аталады. Солидус сызығынан төмен температурада осы жүйедегі барлық қорытпалар қатты күйде болады. Олардың құрылымы-алтын мен күмістің қатты ерітіндісі. Ликвидус пен солидус сызықтарының арасында тепе-теңдіктегі қорытпалардағы екі фаза – сұйықтық және қатты ерітіндінің кристалдары болады.

Кез келген құрамды балқытпаның кристалдануы оны ликвидус сызығынан сәл төмен салқындату кезінде басталады. Кристалданудың теориялық және нақты температурасы арасындағы айырмашылық салқындау дәрежесі деп аталады. Сұйық фазада қатты ерітіндінің кристалдары пайда болады және өседі. Қорытпаның кристалдануы температураның төмендеуі кезінде жүреді және солидус сызығының температурасына жеткенде немесе бірнеше төмен болғанда аяқталады.

Егер қорытпаның салқындату жылдамдығы аз болса, онда кристалдану нәтижесінде қорытпаның құрылымы құрамы қорытпаның құрамына дәл жауап беретін біртекті қатты ерітінді болып табылады.

Егер салқындату жылдамдығы жоғары болса, онда қатты ерітінді біртекті емес. Бұл ликвидус пен солидус сызықтары арасындағы аралықта жатқан температураларда қатты ерітінділердің кристалдануының ерекшелігіне байланысты. Мысалы, 1000 °C температурада (күріш. 3.6) қатты ерітіндінің пайда болған кристалдарының құрамы А нүктесімен анықталады.
Сур. 3.6. Au – Ag күй диаграммасы бойынша фазалар құрамын анықтау.
Қорытпада 50% Au және 50% Ag болса, қатты ерітіндіде 70% Ag және 30% Au болады. Сонымен қатар, сұйық фазада 70% Au және 30% Ag (нүкте В) бар. Температураның өзгеруі кезінде қатты фазаның құрамы солидус желісі бойынша, сұйық – ликвидус желісі бойынша өзгереді. Осылайша, суыту кезінде, яғни температура өзгергенде, қатты фазаның құрамы үздіксіз өзгереді.

Құрамның өзгеруі атомдардың орын ауыстыруы, яғни диффузия есебінен болады. Қатты денелерде атомдардың қозғалысы аз, диффузия сұйықтыққа қарағанда едәуір баяу жүреді. Егер кристалдау кезінде салқындату жылдамдығы жеткілікті үлкен болса, онда тегістейтін диффузия орын алуға үлгермейді және қатты ерітіндінің құрамы біркелкі емес. Жоғары температураларда пайда болған дәндердің орталық бөлігінде Ag жоғары құрамы, шеткі бөлігінде – қорытпаның құрамымен салыстырғанда Au жоғары құрамы. Бұл құбылыс дендритті ликвация деп аталады. Қорытпаның кристалдану интервалы кең болған сайын, яғни ликвидус пен солидус температураларының арасындағы айырмашылық көп болған сайын, осындай құбылыстың ықтималдығы артады.

Қорытпа дәндерінің құрамы бойынша біртектес еместігі-зергерлік қорытпалар үшін жағымсыз құбылыс. Мұндай қорытпалар күшті түзетіледі, біртекті емес механикалық қасиеттері бар және т. б.

Дендритті ликвацияны солидус сызығынан 50-100 ° C төмен температурада қорытпаны жағып тастағанда жоюға болады.

Алтын-күміс жүйесіне тән күй диаграммасында алтын-мыс және платина-иридий жүйесінің қорытпалары бар. Бұл жүйелерде қорытпалардың кристалдануы алтын-күміс қорытпаларына ұқсас.

Егер екі металл қатты күйде шектелген болса, онда күй диаграммасының түрі өзгереді. – Сур. 3.7 мыс-күміс күй диаграммасы көрсетілген. Бұл екі металл қатты күйде шектелген. Күмістегі қатты мыс ерітіндісі а белгіленген. Күмістегі Мыстың ерігіштігі 779 °C кезінде 200 °C кезінде 0,2% – дан 8,8% – ға дейін өзгереді. Күмістің мыстағы ерігіштігі (аймақ ?- ерітінді) 779 °C кезінде 0% – дан 200 °C кезінде 8,0% – ға дейін өзгереді.
Сур. 3.7. Ag-Си күй диаграммасы.
28% күмістен тұратын қорытпа эвтектикалық деп аталады. Оның кристалдануы 779 °C тұрақты температурада жүреді. мен ?. Кристалдану процесі р-қатты ерітінді ұрығының пайда болуынан басталады. Кристалданудың тепе-тең жағдайларында осы ұрықтардың құрамы күмістің мыстағы шекті ерігіштігіне сәйкес келеді, яғни түзілетін кристалдарда барлығы 8,0% күміс және 92,0% мыс бар. Басқаша айтқанда, 28% мыстан тұратын сұйық фазадан 92% мыстан тұратын қатты көлем түзіледі, яғни. мыс сұйық фазадан шығады, оның құрамы күміс құрамының ұлғаюына қарай өзгереді. Күміс сұйықтықты байыту кристалдардың пайда болуын ынталандырады ?- қатты ерітінді. Олар қазірдің өзінде бар кристаллдарда пайда болады ?- фазалар, әрі қарай екі Кристал ?– және ?- қатты ерітінділер бірге өседі. Мұндай кристалданудың нәтижесінде қорытпаның құрылымы екі түрлі дәндерден тұрады, екі фаза:?-құрамында 8,8% мыс және 91,2% күміс бар қатты ерітінді және?- құрамында 8,0% күміс және 92 % мыс бар қатты ерітінді. Тұрақты температурада сұйықтықтан түзілетін және тұрақты құрамы бар екі фазаның мұндай механикалық қоспасы эвтектика деп аталады.

8,8-ден 28% – ға дейін мыс бар қорытпалар эвтектикаға дейінгі деп аталады. Олардың кристалдануы кристалдардың түзілуінен ликидус сызығынан төмен температурада басталады?- қатты ерітінді. Бұл кристалдар сұйықтыққа қарағанда күміс көп болғандықтан, сұйық балқымда күміс мөлшері азаяды, демек, мыс мөлшері артады. Сұйық фазаның құрамы ликидус желісі бойынша өзгереді және 779 °C температурада сұйық фазаның эвтектикалық құрамы бар, яғни 28,0% мыс бар. Осылайша, 779 °C температурада барлық эвтектікке дейінгі қорытпалар екі фазадан тұрады: құрамында 28% мыс және 72% күміс бар сұйық қорытпадан және кристалдардан ?- күміс Мыстың қатты ерітіндісі. Бұл температурада эвтектика пайда болатын сұйықтықтың кристалдануы жүреді. Эвтектикалық кристалдану процесі жоғарыда қарастырылған. Қатты күйде барлық осы қорытпалардың мынадай құрылымы бар: бастапқы кристалдар ?- қатты ерітінді және кристалдардың қоршаған қоспасы ?– және ?– қатты ерітінділер-эвтектика.

Құрамында 28% – дан астам мыс бар қорытпалар (28-ден 92% – ға дейін) эвтектикалық деп аталады. Олардың кристалдануы эвтектікке дейінгі қорытпалардың кристалдануына ұқсас болады. Айырмашылық-бұл қорытпаларда ликвидация температурасынан төмен сұйықтықтан кристалдар бөлінеді ?- қатты ерітінді. Қатты күйдегі бұл қорытпалардың құрылымы: алғашқы кристалдар ?- эвтектикамен қоршалған фазалар.

Құрамында 8-ден 92% – ға дейінгі мыс бар барлық қорытпаларды қыздыру кезінде балқыту 779 °C температурада басталады. Температураның одан әрі жоғарылауы кезінде кристалдардың балқуы болады ?- эвтектикаға дейінгі қорытпалардағы фазалар немесе ?- эвтектикалық қорытпалардағы фазалар. Қорытпаның сұйық күйге түпкілікті ауысуы ликвидус желісінің температурасына дейін қызуға сәйкес келеді. Тәжірибе көрсетіп отырғандай, балқыманың ликвидация сызығынан жоғары қызуы байқалмайды.