Понятия фазового и химического состава иногда путают.

Люди, не знакомые с металловедением, считают, что для получения какой-либо металлической детали достаточно знать химический состав. Известны случаи, когда изготавливали ответственные детали только по химсоставу, и они быстро выходили из строя. Причина в том, что элементы в сплаве не просто смешаны между собой. При создании и обработке сплава химические элементы должны сформировать определенную структуру, которая и определяет свойства сплава. Эта структура состоит из фаз.
Напомним. Фаза – это однородная часть сплава, имеющая одинаковый состав, свойства, кристаллическое строение, границу раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком.
Можно сказать, что:
Элементный (химический) состав – это перечень элементов, из которых сплав состоит.
Фазовый состав – это перечень фаз, которые есть в данном сплаве. Фазы состоят из элементов, входящих в элементный состав сплава. Элементы распределены по фазам неравномерно.
На основании знания химического состава и используя диаграмму состояния соответствующего сплава можно определить, какие фазы могут быть в сплаве данного состава.
Структуры (и материалы) бывают однофазные и многофазные. Однофазные материалы – это чистые металлы, химические соединения, твердые растворы.
Если рассматривать чистый металл, то ясно, что его элементный состав совпадает с фазовым. Элемент один и фаза одна. Например, на рисунке 1,а показана структура литого висмута – чистого вещества. Структура дендритная. Или феррит (рис.1,б), имеющий зеренную структуру; это пример твердого раствора.

а	б

Рисунок 1. Структура висмута (а) и феррита (б).

Как правило, сплавы имеют несколько фаз. Например, серый чугун с ферритной матрицей (рис. 2,а); фазы две – феррит и графит. Или кислородная медь (рис.2,б); 2 фазы – медь и закись меди Cu₂O(куприт).

а	б

Рисунок 2. Двухфазные структуры: ферритный чугун (а) и кислородная медь (б).

Если мы имеем дело со сталью, то возможны варианты, при которых химический состав будет один и тот же, а фазовый – нет.
На рисунке 3 показана структура доэвтектоидной стали 45 (0,45% С), т.е. состав – железо и углерод. После нормализации структура – феррит и перлит (рис.3,а). Фазовый состав после нормализации – феррит и цементит, т.е. 2 фазы (как известно перлит не фаза, а структурная составляющая, состоящая из двух фаз – феррита и цементита). После закалки (рис.3,б) структура - мартенсит и остаточный аустенит – также 2 фазы, но принципиально иные.

а	б

Рисунок 3. Структура стали 45 после нормализации (а), закалки (б).

Структуры закалки в различных материалах могут быть похожи (рис.4). Мартенсит в стали и в чугуне выглядит приблизительно одинаково, хотя у этих двух сплавов совершенно разный состав, в особенности по углероду.

а	б

Рисунок 4. Мартенсит в стали 20 (а) и в чугуне (б).

Половинчатый чугун тоже имеет состав железо+углерод, но фаз в нем три: графит, цементит (свободный и в составе перлита), феррит (рис.5).

Рисунок 5. Структура половинчатого чугуна.

Возможны варианты, когда сплавы с разным химическим составом имеют один и тот же фазовый состав. На рисунке 6 показаны структуры силуминов АК12 и АК21. Эти сплавы различаются, в основном, содержанием кремния. В сплаве АК12 кремния 10-13% (т.е. практически эвтектический сплав), в сплаве АК21 - 20-22% Si (заэвтектический сплав). Структура обоих сплавов состоит из эвтектики и включений кремния. Только в сплаве АК21 кремний – избыточный, а в сплаве АК12 избыточный кремний появился в результате неравновесной кристаллизации.

а	б

Рисунок 6. Структура силуминов: а – АК21, б – АК12

Примером сплава с одинаковым фазовым составом и одинаковым химическим является эвтектоидная сталь (рис.7). Как известно, при 0,8% углерода в стали возможно существование только одной структуры - перлита. В зависимости от режима термической обработки он может быть пластинчатым или зернистым, т.е. иметь формы, совершенно разные морфологически.

а	б

Рисунок 7. Зернистый перлит (а) и пластинчатый перлит (б).

Изменением фазового состава (при неизменном химическом) можно управлять. Это можно проиллюстрировать на фото из статьи «Как увидеть аустенит» (рис.8). После плазменной резки структура стали в поверхностной зоне «1» - мартенсит, далее в зоне «2» - феррит+аустенит, в зоне «3» - зернистый перлит. Формирование этих структур зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Поверхность нагрелась в наибольшей степени и в результате быстрого охлаждения «на массу» здесь сформировался мартенсит. В зоне «2» остаточный аустенит застабилизировался из-за давления мартенсита поверхностного слоя вследствие объемного эффекта мартенситного превращения. В зоне «3» температуры хватило на перевод в аустенитное состояние, реализовалось некоторое подобие отжига на зернистый перлит. Ну а элементный (химический) состав во всех трех зонах одинаковый!

Рисунок 8. Панорама изменения структуры в зоне плазменного реза; углеродистая сталь.

Прекрасной иллюстрацией одинакового фазового состава при разном химическом может служить диаграмма состояния железо-углерод (как, впрочем, и диаграммы других систем). Для каждой фазовой области набор фаз постоянный (потому и называется фазовой областью), а их состав и количество зависит от количества углерода (рис.8). Например, область существования феррита и цементита: с увеличением количества углерода изменяется количество фаз, но не их состав. В области существования аустенита фаза одна - аустенит, но при увеличении концентрации углерода изменяется его состав.

Рис.8. Фазовые области диаграммы состояния железо-углерод.