Диаграммы фазового равновесия (диаграммы состояния) - раздел Образование, СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. Фазовое Состояние Сплавов Зависит От Концентрации Компонентов И Температуры, ...
Фазовое состояние сплавов зависит от концентрации компонентов и температуры, при которой находится сплав. Для изучения фазового состояния сплавов пользуются диаграммами фазового равновесия (диаграммами состояния), которые строятся в координатах «температура–концентрация компонентов». Линии диаграммы показывают температуры фазовых превращений, области диаграммы – фазовый состав сплавов в условиях равновесия. Ниже рассмотрены основные типовые диаграммы состояния, характерные для металлических сплавов.
4.2.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии
На рис.16 показана диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Такой тип диаграммы соответствует сплавам Cu-Ni, Ag-Au и др. В таких сплавах при охлаждении происходит только одно фазовое превращение – кристаллизация.
Рис.16. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии
Кристаллизация сплавов начинается при температурах tН, образующих линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Кристаллизация чистых компонентов А и В идет при постоянных температурах (tA и tB соответственно), тогда как кристаллизация твердых растворов – в интервале температур (tН-tК). Окончанию кристаллизации соответствуют температуры tК - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии, в виде α-твёрдого раствора. В области между линиями ликвидус и солидус находятся в равновесии две фазы: жидкий раствор и α-твердый раствор.
Диаграммы состояния позволяют определить структуру сплавов после завершения всех фазовых превращений при охлаждении. В данном случае структура любого сплава после охлаждения представляет собой зерна a-твердого раствора (рис. 16).
Все темы данного раздела:
Атомно-кристаллическое строение металлов
Валентные электроны в металле не принадлежат отдельным атомам, это свободные, общие электроны (электронный газ). Атомы (положительные ионы), силами электростатического взаимодействия с электронным
Дефекты кристаллического строения металлов
Дефекты - это несовершенства кристаллического строения (рис.2).
Точечные дефекты, сопоставимы с размерами атомов:
вакансии – отсутствующие атомы в узлах кристаллической решетки;
Термодинамические условия кристаллизации
Кристаллизация – переход из жидкого состояния в твердое. Этот процесс обусловлен изменением свободной энергии системы (энергии Гиббса): термодинамически устойчивому состоянию соответствует меньшая
Кинетика процесса кристаллизации. Критический зародыш.
При кристаллизации одновременно идут два процесса: образование зародышей (центров) кристаллизации и их рост. Зародыш минимального размера, устойчивый и способный к росту, называется критическим зар
Структура металла
Строение металла, наблюдаемое невооруженным глазом, называют макроструктурой. Структуру, наблюдаемую в оптическом металлографическом микроскопе (при увеличении от 100 до 2000 крат), называют микрос
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Рабочие нагрузки (напряжения) вызывают в деталях машин деформации и разрушения. Напряжение – сила, действующая на единицу площади. Нормальные напряжения, σ – вызывают растяжени
Характеристики прочности
Предел пропорциональности, σпц – максимальное напряжение, соответствующее линейному участку кривой растяжения.
Предел упругости, σупр – напряжение, при котором остаточная деформа
Методы определения твердости металлов
Твердость – свойство металла сопротивляться пластической деформации при внедрении в его поверхность твердого тела – индентора.
Твердость по Бринеллю. Индентор – стальной шарик диаметром от
Характеристики механических свойств, определяемые при динамических нагрузках
Ударная вязкость, КС характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. КС определяют при динамических испытаниях на маятниковом копре образцов с надрезом (рис. 9): U-образным – KCU, V-образны
Характеристики механических свойств, определяемые при циклических нагрузках
Многие детали машин (валы, шестерни и др.) работают в условиях знакопеременных (циклических) нагрузок. Разрушение детали под действием циклических нагрузок называют усталостью, а св
Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации
Механизмы пластической деформации:
скольжение;
двойникование;
межзеренное перемещение (зернограничное скольжение).
Скольжение состоит в сдвиге одной части криста
Рекристаллизация
Рекристаллизация – процесс зарождения и формирования новой равновесной структуры. Рекристаллизация возможна, если пластическая деформация больше критической (εкр=3..15%).
Первичная ре
Компоненты и фазы в металлических сплавах
Компоненты – элементы, образующие сплав.
Компоненты сплава при взаимодействии образуют фазы. Фаза – это однородная часть сплава, по составу, структуре и свойствам, отделенная от других час
Химические соединения
Химические соединения – фазы, которые имеют свою кристаллическую решетку, отличающуюся от решеток компонентов. Это определяет резкое отличие свойств соединений от свойств образующих его компонентов
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой
Компоненты образуют твердые растворы с ограниченной растворимостью: α – твердый раствор компонента В на базе кристаллической решетки компонента А, и β – твердый раствор компонента А на ба
Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов
Свойства сплавов отличаются от свойств образующих их компонентов: твердость и твердость сплавов выше, а пластичность – ниже, чем у чистых металлов.
В твёрдых растворах с неограниченной рас
Компоненты и фазы в системе Fe-C
Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже
Диаграмма состояния железо-цементит
В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe3C. Диаграмма Fe-Fe3C соответствует метастабильному равновесию системы железо-
Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.
Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+ЦIII (Рис. 20а).
Серые чугуны
Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).
В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде гр
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хр
Фазы в легированных сталях
Основными твердыми фазами в легированных сталях являются:
Легированный феррит (ФЛ) – твёрдый раствор углерода и ЛЭ в Feα;
Легированный аустенит (АЛ) – твёрдый раствор углерод
Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легирующие элементы, растворённые в феррите и аустените, повышают прочность (твёрдорастворное упрочнение). Обычно при упрочнении пластичность снижается. Никель (до 4,5%), увеличивая прочность, одно
Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа
Легирующие элементы влияют на точки полиморфного превращения железа (А3 и А4), изменяя области существования феррита и аустенита. Различают две группы легирующих элементов: α- и γ-стабили
Превращение перлита в аустенит при нагреве
При нагреве эвтектоидной стали выше линии АС1 (727˚С) перлит превращается в аустенит:
П (Ф0,02%С+Ц6,67%С)→А0,8%С.
Превращение является результатом двух
Перлитное превращение
Перлитное превращение идет при переохлаждении аустенита в диапазоне температур 727˚С...500˚С. При этом происходит распад аустенита на феррито-цементитную смесь:
А
Мартенситное превращение
Мартенситное превращение протекает в интервале температур Мн-Мк (рис. 33).
Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенит
Промежуточное (бейнитное) превращение
Бейнитное превращение протекает в интервале температур от 500°С до МН (см. рис. 33).
Механизм превращения сочетает в себе элементы диффузионного перлитного и бездиффузионно
Превращения аустенита при непрерывном охлаждении
Если на диаграмму изотермического распада аустенита (С-кривую) нанести векторы скоростей охлаждения (рис. 37), то можно определить структуру, получаемую при охлаждении аустенита.
Влияние легирующих элементов на распад аустенита
Легирующие элементы влияют на диффузионные процессы и на полиморфное g®a превращение:
в присутствии легирующих элементов снижается диффузионная подвижность углерода,
Превращения мартенсита при нагреве (при отпуске)
Структура мартенсита – неравновесная, поэтому нагрев приводит к её распаду с образованием более устойчивых структур (отпуску мартенсита). Основные превращения при отпуске:
ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Термообработка стали состоит в нагреве до определённой температуры, выдержке и охлаждении. Основные параметры термообработки:
температура нагрева выбирается на основе проте
Нормализация
Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше АС3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше АСm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе (Рис.38, 40).
Закалка
Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше АС3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше АС1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цел
Отпуск стали
Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже АС1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях март
Отпускная хрупкость
Существуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хруп
Закаливаемость и прокаливаемость стали
Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в мартенсите: чем больше в нем углерода, тем выше его твердость.
Способы поверхностного упрочнения сталей
Многие детали машин работают в условиях повышенного износа, циклических и динамических нагрузок (валы, шестерни и др.). Их поверхность должна иметь высокую твёрдость и износостойкос
Поверхностная закалка стали с индукционным нагревом (закалка ТВЧ)
При поверхностной закалке ТВЧ для нагрева поверхности детали ее помещают в индуктор, через который пропускают токи высокой частоты. За счет создаваемого переменного магнитного поля
Цементация
Цементация – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации - повышение твёрдости и износостойкости поверхности пр
Азотирование
Азотирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Азотирование проводят при температуре 480…600°С в среде частично диссоциированого аммиака, который является и
Маркировка сталей
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества маркируют буквами «Ст» и цифрой (от 0 до 6): Ст0, Ст1, Ст2, …Ст6. В конце марки указывается степень раскисления: например,
Цементуемые стали
Цементуемые стали – низкоуглеродистые, содержат 0,1…0,3%С. Применяются для деталей, от поверхности которых требуется высокая твердость и износостойкость, а от сердцевины повышенная вязкость.
Улучшаемые стали
Улучшаемые стали – среднеуглеродистые, содержат 0,3…0,5% С. Применяются для деталей, работающих при ударных и циклических нагрузках: коленчатые и карданные валы, валы редукторов, оси, шатуны, шесте
Рессорно-пружинные стали
Ресорно-пружинные стали – высокоуглеродистые, содержат 0,5…0,8%С. Применяются для пружин, рессор и других упругих элементов.
Термообработка: закалка + средний отпуск. Структура - троостит
Износостойкие стали
Шарикоподшипниковые стали применяются для подшипников качения (шарики, ролики, кольца). Они содержат в среднем 1% углерода, стали должны иметь высокую твердость, износостойкость, ко
Стали, устойчивые против коррозии
Коррозия – разрушение металла под действием окружающей среды. По механизму коррозионных процессов различают химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия про
Жаростойкие стали
Жаростойкость (окалиностойкость) – это стойкость металла против газовой коррозии (окисления) при высоких температурах. При температурах выше 550°С железо окисляется с образованием рыхлого оксида Fe
Жаропрочные стали
Жаропрочные стали предназначены для работы под нагрузкой при высоких температурах в течение определенного времени.
При повышенных температурах в металлах развиваются процес
Стали для режущих инструментов
Основные требования к режущим инструментам:
высокая твердость режущей кромки,
износостойкость,
теплостойкость (красностойкость) – способность стали сохран
Стали для измерительных инструментов
Основное требование к этим сталям помимо высокой твердости и износостойкости - сохранение постоянства размеров и формы в течение срока службы. Изменение размеров инструмента при дли
Стали для штампов
Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.
Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость, прочность и дос
Алюминий и его сплавы
Свойства алюминия:
Тпл=660 ºС;
кристаллическая решетка ГЦК (не имеет полиморфного превращения);
низкий удельный вес;
высокая электро- и тепл
Литейные алюминиевые сплавы
Типичными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием (АК12, АК9, АК7). Диаграмма состояния системы Al–Si приведена на рис.50.
Порошковые алюминиевые сплавы
К этим сплавам относят материалы, получаемые методами порошковой металлургии:
САП – спеченные алюминиевые порошки;
САС – спеченные алюминиевые сплавы.
Спеченные алюминиев
Оловянные бронзы
В системе Cu–Sn образуются следующие фазы:
α-твердый раствор олова в меди;
химические соединения Cu5Sn (β-фаза), Cu3Sn (ε-фаза), Cu31Sn8 (δ-фаза).
Пра
Подшипниковые сплавы
Распространенные подшипниковые сплавы - баббиты – сплавы на основе олова или свинца. Они используются для заливки вкладышей подшипников скольжения, их свойства:
низкий коэффициент трения м
Титан и его сплавы
Свойства титана:
Тпл=1665°С,
полиморфизм: ниже температуры 882°С устойчив α-Ti с гексагональной плотноупакованной решеткой, выше этой температуры – β-Ti
Новости и инфо для студентов