Диаграмма состояния Fe-Ni. Фазовый состав, структура, физические свойства, применение

Железоникелевые сплавы называются пермаллои (45-82% Ni) и инвары (36% Ni), отличающиеся высокой магнитной проницаемостью.
Равновесие в системе железо-никель осуществляется очень медленно при скорости охлаждения не более 10°С/сутки [1]. Диаграмма состояния системы Fe-Ni приведена на рисунке 1. При высоких температурах железо и никель образуют твердые растворы, структура которых соответствует гранецентрированной кубической решетке (самая большая область диаграммы).
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Fe-Ni [1]
В нижней левой части диаграммы представлены две области: α-твердый раствор на основе железа, в котором содержание никеля увеличивается при понижении температуры и двухфазная область, состоящая из γ-твердого раствора никеля и α-твердого раствора железа. В интервале температур 493-503 ± 2°С в сплавах с содержанием никеля более 45% происходит образование сверхструктур FeNi или FeNi3 с содержанием 74% Ni. Процесс такого образования или упорядочения оказывает существенное влияние на магнитные свойства сплавов и определяет характер их термической обработки. При температуре 345°С протекает эвтектоидная реакция: γ ↔ α + FeNi3; эвтектоидная точка находится при содержании никеля 52% [1].
В интервале температур от 1390°С до 1512°С никель растворяется в железе и протекает перитектическая реакция δ + ж ↔ γ. Данная реакция заключается во взаимодействии жидкости с выпавшими ранее первичными кристаллами, в результате которого образуются новые кристаллы. Максимальная растворимость никеля в δ-Fe составляет 3,24%, перитектическая точка расположена при 4,3% Ni, а концентрация этого элемента в жидкой фазе равна 5,9%. Сплавы системы кристаллизуются в узком интервале температур, не превышающем 10-15°С. Кривые ликвидус и солидус для сплавов с содержанием 5,9-100% Ni имеют вид слегка провисающей цепи с минимумом при 1436°С и содержании 68% Ni. В точке минимума кривые соприкасаются [2].
На рисунке 2 представлена диаграмма метастабильного состояния системы Fe-Ni

. Штриховыми линиями обозначены равновесные границы областей α/(α + γ) и γ/(α + γ). Как видно, железоникелевые сплавы с содержанием никеля до 5% имеют ферритную структуру. Кривые Мн и Ан соответствуют началу образования мартенсита при охлаждении и аустенита при нагреве [2]. Стоит отметить, что сплавы с содержанием 6-25% никеля после быстрого охлаждения при комнатной температуре имеют мартенситную или аустенито-мартенситную структуру. При содержании 25-30% никеля сплавы после быстрого охлаждения приобретают аустенитную структуру, которая весьма неустойчива, так как при воздействии холодной деформации и отпуска при 350-450°С аустенит распадается на смесь α+ γ-фаза. Сплавы, содержащие свыше 30% никеля, имеют структуру устойчивого аустенита [3].
Рис. 2. Диаграмма метастабильного состояния системы Fe-Ni
Известно [2], что кристаллическая структура железоникелевых сплавов описывается следующими тремя основными типами: α-твердый раствор на основе α-железа (ОЦК), γ-твердый раствор на основе γ-железа (ГЦК) и упорядоченная фаза FeNi3 с кубической структурой.
Физические свойства Fe-Ni сплавов
Наличие внутреннего магнетизма у железа и никеля поспособствовало тому, что удалось создать магнитный сплав железа с никелем.
Наиболее распространенным соединением железа и никеля является «инвар», в переводе с латыни значит неизменимый. Он имеет постоянный коэффициент теплового расширения при вариации рабочей среды от -80°С до 100°С. Также соединение имеет и другие наименования: суперинвар и нержавеющий инвар, отличающиеся процентным содержанием легирующих добавок. Кроме железа и никеля в сплавах применяют такие металлы, как хром, алюминий, вольфрам, титан, молибден и алюминий [4].
Сплав железа с никелем обладает высокой жаропрочностью и поддается обработке после плавления. Железоникелевые соединения отличаются следующими преимуществами [4]:
– повышенная механическая прочность, которая позволяет применять сплав в механизмах, работающих при повышенных нагрузках;
– устойчивость к воздействию высоких температур;
– высокая внутренняя магнитная проницаемость элементов, изготавливаемых из данного сплава;
– постоянный коэффициент теплового расширения, позволяющий использовать соединение в приборах и датчиках;
– сохранение характеристик при эксплуатации в агрессивных средах;
– стойкость к коррозии (в растворах серной кислоты, щелочей и ряда органических кислот);
– пластичность.
Железоникелевые соединения имеют однофазную внутреннюю структуру, высокую плотность и практически нулевой коэффициент теплового расширения