Материал: Строение и свойства металлов и сплавов

При охлаждении сплава данной системы состав жидкости двухфазной области будет изменяться по линии ликвидус от точки 1 до точки С. В диапазоне кристаллизации сплавы данной системы будут иметь постоянный состав твердой фазы (100% В или 100% А);

2)   количество каждой из существующих при данной температуре фаз определяется с помощью второго положения правила отрезков (правило рычага). Количество (масса) существующих фаз обратно пропорционально длине отрезков, отсекаемых конодой.

Q_ж - количество жидкости при данной температуре (отрезок aq). кр - количество кристаллов при данной температуре (отрезок ва).сп - количество сплава при данной температуре (отрезок вq).

Таким образом, используя правило фаз и правило отрезков, можно выявить особенности кристаллизации любого сплава данной системы. Например, в сплавах I и III кристаллизация начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации образуются кристаллы А (или В). Интервал 1-2 представляет температурный интервал кристаллизации сплавов, т.е. кристаллизация этих сплавов происходит при уменьшении температуры. Это подтверждается правилом фаз: С_1-2 = 2-2+1=1, что соответствует перегибу на кривой охлаждения сплава в точке 1. Состав жидкости при кристаллизации сплавов, согласно правилу отрезков, будет изменяться по линии 1-С. Таким образом, можно заключить, что по достижении температуры, соответствующей линии DCE (точка 2), все сплавы данной системы будут иметь одинаковый состав жидкости (точки С).

Линия DCE - линия эвтектического превращения. При этой температуре все сплавы данной системы будут претерпевать эвтектическое превращение, которое заключается в том, что жидкость состава точки С будет кристаллизоваться с образованием двух твердых фаз: кристаллов А и кристаллов В (Ж _С ®А_D + В_Е).

Образовавшиеся твёрдые фазы составляют мелкодисперсную механическую смесь - эвтектику.

Согласно правилу фаз С_2-2’ = 2-3+1=0, эвтектическое превращение происходит при постоянной температуре (температурная остановка 2-2’ на кривой охлаждения сплавов).

На рисунке [6, рис.13] схематически дано также строение (структура) кристаллизующихся и закристаллизовавшихся сплавов I и III. Показаны первичные выделения кристаллов из жидкости и образование механической смеси кристаллов А + В.

Сплав II будет находиться в жидком состоянии до температуры, соответствующей линии DCE. При достижении этой температуры в сплаве будет происходить нонвариантная эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики. Сплав I называется доэвтектическим, сплав II - эвтектическим, а сплав III - заэвтектическим.

8.2 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2-го рода)

Диаграмма состояния сплавов данной системы изображена на рисунке 1. В этих сплавах возможно существование только двух фаз - жидкого раствора L и твёрдого раствора a. Выше линии ликвидус (AmB) сплавы находятся в жидком состоянии (L), ниже линии солидус (AnB) - в твёрдом (a), между линиями - в двухфазном (L+a).

Кристаллизация любого сплава данной системы проходит одинаково: начинается в точке 1 выделением из жидкости кристаллов твёрдого раствора a и заканчивается в точке 2.

Диапазон 1-2 - температурный интервал кристаллизации (С_1-2=2-2+1=1 - моновариантное превращение).

В диапазоне кристаллизации сплавы имеют переменный состав жидкости и кристаллов. Состав жидкости меняется по линии ликвидус от точки 1 до точки i, состав кристаллов меняется по линии солидус от точки S до точки 2.

При росте кристалла его состав будет изменяться. Явление неоднородности химического состава кристалла называется внутрикристаллической ликвацией.

Ликвация тем больше, чем больше температурный интервал кристаллизации сплава.

.3 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (3-го рода)

Различают две разновидности указанных диаграмм:

1       Диаграмма с эвтектикой

2       Диаграмма с перитектикой

Рассмотрим первую разновидность.

Фазы в сплавах:

Жидкость (L).

1   a-твёрдый раствор компонента В в решётке компонента А.

2       b-твёрдый раствор компонента А в решётке компонента В.

Линия ECF - линия ликвидус, EDKF - линия солидус, DCK - линия эвтектического превращения, DM и KN - линии предельной растворимости одного компонента в решётке другого. Сплавы между точками D и K будут кристаллизоваться аналогично сплавам первого рода с образованием эвтектики. Сплавы левее точки D и правее точки К кристаллизуются аналогично сплавам второго рода с образованием твёрдого раствора a или b.

В диаграмме с перитектикой: CPE - линия ликвидус, CFKE - линия солидус, FKP - линия перитектического превращения, FN и KM - линии предельной растворимости. Сплавы левее т.F и правее т.P кристаллизуются аналогично сплавам второго рода. Сплавы, лежащие между точками F и P, будут претерпевать перитектическое превращение: Ж_Р + a_F ® b_К (кристаллы a-твёрдого раствора взаимодействуют с жидкостью, образуя новую фазу - твёрдый раствор b).

Для сплавов, лежащих левее т.К, будем иметь избыток a-твёрдого раствора: Ж + a ® b +a изб.

Для сплавов, лежащих правее т.К, будем иметь избыток жидкости: Ж + a ® b +Ж _изб.

Перитектическое превращение происходит при постоянной температуре (С_2-2’= 2-3+1=0 - температурная остановка 2-2^’ на кривой охлаждения).

8.4 Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение (диаграмма 4-го рода)

Химическое соединение может быть устойчивым, т.е. не разлагаться до плавления, и неустойчивым, которое разлагается при определённой температуре.

В сплавах с химическим соединением фазами являются:

1 Жидкость

2       Компонент А (чистый)

         Компонент В (чистый)

         Соединение А_n В_m

Устойчивое соединение рассматривается как компонент в диаграмме состояния, поэтому диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением рассматривается как сложная, состоящая из двух:

А-А_n В_m и В-А _n В_m.

Устойчивое соединение может по-разному взаимодействовать с компонентами сплавов, образуя различные виды сплавов. В месте соединения двух диаграмм получается точка перелома (точка С) на линии ликвидус, указывающая на образование устойчивого химического соединения при определённой концентрации компонентов А и В.

.5 Диаграммы состояния сплавов, претерпевающих превращения в твердом состоянии

Существуют следующие виды превращений:

1)   Изменение растворимости компонента. Линия FM - линия изменения растворимости компонента В в компоненте А. Из решетки компонента А при охлаждении будет выделяться компонент В в результате уменьшения его растворимости.

2)   Аллотропическое превращение одного или двух компонентов (изменение типа решетки).

3)   Упорядочение твердых растворов.

.6 Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Связь между свойствами сплава его составом и структурой установил академик Курнаков и представил в виде диаграмм «состав - свойства».

У сплавов второго рода свойства изменяются нелинейно.

У сплавов третьего рода свойства в интервале концентраций, отвечающему однофазному состоянию, изменяются по криволинейному, а в двухфазной области диаграммы - по прямолинейному закону.

У сплавов четвертого рода наблюдается резкое изменение свойств при образовании химических соединений.

9. Железоуглеродистые сплавы

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наиболее распространёнными металлическими материалами.

.1 Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы образуются двумя компонентами:

1)   Железо - температура плавления 1539 ⁰С (±5 ⁰С), ρ=7,85 ^г/_см³, Fe_δ при Т>1392 ⁰C (ОЦК), Fe_γ при Т = 1392…911^oC (ГЦК), Fe_α при Т<911^oC (ОЦК), σ_в = 250 МПа, σ _т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ=800 МПа.

2)   Углерод (графит) - ρ=2,25 ^г/_см³, σ _в = 20 МПа, при Т=2500⁰C, σ_в= 40 МПа, при Т = 3150 ⁰C графит переходит в газообразное состояние.

Фазы: 1) жидкость (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А), цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в решетку Fe_d или Fe_a - Ф_d и Ф_a. Максимальная растворимость в решетке Fe_δ при Т = 1499 ⁰C - 0,1% С.

Максимальная растворимость в решетке Fe_α при Т = 727 ⁰C - 0,02% С, при Т = 20 ⁰C составляет 0,006% С.

По свойствам феррит близок к техническому железу.

Аустенит - твёрдый раствор внедрения углерода в решётку Fe_γ. Максимальная растворимость при 1147 ⁰С составляет 2,14%С, минимальная растворимость - 0,8% С при 727 ⁰С. Аустенит немагнитен, имеет низкую прочность и высокую пластичность.

Цементит - карбид железа Fe₃C, образующийся при содержании углерода 6,67% (устойчивое химическое соединение), очень твёрдый и хрупкий (НВ = 8000 МПа).

9.2 Диаграмма состояния «железо-цементит»

Железоуглеродистые сплавы изучаются на основании диаграммы состояния железо - углерод. Практическое значение имеет левая часть диаграммы до содержания 6,67% С, при котором образуется устойчивое химическое соединение железа и углерода - цементит (Fe₃C). Поэтому на практике принято рассматривать левую часть диаграммы Fe-C диаграмму состояния железо-цементит (рис.2). Сплавы, лежащие правее 6,67% С, очень хрупкие и практически не применяются.- линия ликвидус.- линия солидус.

На линии АВ начинается кристаллизация феррита - δ, на линии ВС - аустенита, на линии CD - цементита.

Линия HJB (T=1499 ⁰C) - линия перитектического превращения: Ф_Н+Ж_В®А_J. Для сплавов, лежащих левее точки J, после перитектического превращения будет оставаться избыток феррита. Для сплавов, лежащих правее точки J, после перитектического превращения будет избыток жидкой фазы. Линия ECF (Т=1147 ⁰С) - линия эвтектического превращения: Ж_С®А_Е+Ц_F. Образующаяся эвтектика называется - ледебурит.

Железоуглеродистые сплавы, лежащие левее точки Е, называются сталями. Ниже линии солидус после окончания кристаллизации эти сплавы находятся в однофазном состоянии - аустенит. Стали имеют хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе (2,14%). Сплавы, лежащие правее точки Е, называются чугунами, и после кристаллизации имеют двухфазную структуру (А+Ц). Это определяет низкую пластичность чугунов, (обрабатывать давлением нельзя) и хорошие литейные свойства.

Железоуглеродистые сплавы испытывают превращения и после окончания процесса кристаллизации в твёрдом состоянии.

Аллотропические превращения: линии NH и NJ - линии начала и конца превращения Ф_d®А, т.е. Fe_d(ОЦК) ® Feg (ГЦК); линии GS и GP - линии начала и конца превращения А® Ф_a, т.е. Feg (ГЦК) ® Fe_a(ОЦК).

Изменение растворимости углерода в железе: ES - линия изменения растворимости углерода в аустените (решётке Feg). С понижением температуры избыточный углерод выделяется из аустенита и образует с железом так называемый вторичный цементит (Ц_II).- линия изменения растворимости углерода в феррите (решётке Fe_a). С понижением температуры углерод выделяется и образует цементит третичный (Ц_III).

Эвтектоидное превращение происходит по линии PSK (727 ⁰С) при этом аустенит состава точки S (0,8% С) распадается с образованием двух новых фаз - феррита состава точки Р (0,02% С) и цементита состава точки К (6,67% С): А_S®Ф_Р+Ц_К. Образовавшаяся мелкодисперсная механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид) называется перлит (П).

Эвтектоидное превращение испытывает и аустенит, входящий в состав ледебурита (в сплавах правее точки Е - чугунах): ниже 727 ⁰С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита, иногда его называют ледебуритом превращенным (Л_п).

Температуры превращений сплавов в твёрдом состоянии (критические точки) имеют условное обозначение:

А₁ - линия PSK соответствует превращению А→ П;

А₂ - линия МО (768 ⁰С) магнитное превращение железа (выше этой линии железо немагнитно, ниже - магнитно);

А₃ - линия GS - превращение А↔Ф_a

А₄ - линия HJ - превращение Ф_d↔А

А_cm - линия SE - начало выделения Ц_II.

Сплавы состава точки S называются эвтектоидными сталями и имеют структуру перлита. Стали левее точки S называются доэвтектоидными и при нормальной температуре имеют структуру феррито-перлитную. Стали правее точки S называются заэвтектоидными и при нормальной температуре имеют структуру перлит + цементит вторичный.

Чугуны отличаются от сталей наличием в структуре ледебурита. Чугуны левее точки С называются доэвтектическими, правее точки С - заэвтектическими.

Углерод в диаграмме Fe-C может выделяться наряду с цементитом в виде графитовых включений. Этот процесс называется графитизацией и может наблюдаться при кристаллизации чугунов. Поэтому чугуны по микроструктуре делятся на белые - углерод находится в виде химического соединения и серые - углерод находится в виде графита.

Литература

1    Лахтин Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 2010. - 528с.

2       Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2011. - 640 с.

3    Дальский А.М. Технология конструкционных материалов/ А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 1985. - 448с.

4       Кнорозов В.В. Технология металлов/ В.В. Кнорозов. - М.: Металлургия, 1979. - 904с.

         Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов./ Г.А. Прейс, Н.А.Сологуб,. И.А. Рожнецкий - К.: Выща школа, 2011. - 390с.

6 Сборник иллюстрационного материала к лекциям по дисциплине “Технология конструкционных материалов” /Сост.: В.И. Кабацкий, А.Я. Шашко. - Краматорск: ДГМА, 2011. - 55 с.