Эвтектоид – аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы

2. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СПЛАВОВ, ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

2.1. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ.

 

Диаграмма состояния или диаграмма равновесия - графическое изображение равновесных состояний сплава в виде точек в n-мерном пространстве, по осям координат которого отложены n независимых параметров состояния рассматриваемого сплава.

Параметр состояния – физическая величина, служащая в термодинамике для характеристики состояния рассматриваемой системы, например, давление, температура, концентрация элементов и т.д.

В данной работе будут рассматриваться диаграммы состояния в координатах: концентрация компонентов - температура.

Компонентами называются простейшие вещества, которые определяют состав сплава, и концентрация которых является независимой от остальных параметров.

Чистый металл представляет собою однокомпонентную систему, сплавы из двух компонентов – двухкомпонентную и т.д.

Однородная часть неоднородной системы, имеющая границы раздела с другими частями системы и взаимодействующая с ними, называется фазой. Фазами могут быть сами компоненты, их химические соединения, жидкие и твердые растворы.

Химическое соединение – химически индивидуальное вещество, в котором атомы одного (как, например, О₂) или различных (как, например КСl) элементов соединены между собою тем или иным видом химической связи. Химическое соединение описывается определенной химической формулой, образует кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток элементов образующих это химическое соединение.

Твердые растворы – однородные кристаллические вещества, состоящие из двух или большего числа компонентов и сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами в определенном интервале концентраций. В твердых растворах атомы одного или нескольких компонентов находятся в кристаллической решетке одного из компонентов, который называется растворителем.

Различают твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. В твердых растворах замещения, образованных двумя или несколькими металлами (например, медью и никелем), атомы одного металла (Ni) размещаются в узлах кристаллической решетки другого (Cu) вместо атомов Сu. В твердых растворах внедрения атомы неметалла (обычно) располагаются в промежутках между атомами металла, которые находятся в узлах кристаллической решетке. Твердые растворы вычитания образуются только на основе химических соединений. При растворении компонента А в химическом соединении А и В, часть узлов решетки, принадлежащих компоненту В, делается вакантной (вычитается из решетки).

Твердые растворы обозначаются греческими буквами: a, b, g, d и т.д.

В сплавах имеются структурные составляющие: эвтектика и эвтектоид.

Эвтектика – тонкая смесь кристаллов различных компонентов или фаз, одновременно закристаллизовавшихся из жидкости определенного (эвтектического) состава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов.

Эвтектоид – аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы.

 

 

2.2. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

 

Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис.1.) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла. При кристаллизации

 

 

 

эвтектики происходит остановка охлаж­дения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полнос­тью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс - концентрация элементов в сплаве (рис.2).

Общее содержание компонентов в сплаве 100 %, и поэтому каж­дой точке на диаграмме соответствует определенное содержание ком­понентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полу­ченные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси "температура-концентрация". Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтекти­ки в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.2.4).

Сплавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эв­тектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики - эвтектическими, располагающиеся за точ­кой эвтектики - заэвтектическими. Структура этих сплавов на приме­ре системы Zn-Sn показана на рис.2.3.

Рис. 2.3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк:

 

2.3. АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

По диаграмме состояния можно определить критические точки сплава при нагревании и охлаждении и установить его структуру, выбрать сплав, обладающий наилучшими литейными свойствами, правильно назначить режим термической обработки.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют эвтектику (рис. 4):

АЕС - ликвидус, начало кристаллизации сплавов.

ВЕF - солидус, конец кристаллизации сплавов; на этой линии происходит одновременная эвтектическая кристаллизация компонентов А и В при постоянной температуре. Линия называется эвтектической.

АЕ - начало кристаллизации компонента А.

ЕС - начало кристаллизации компонента В.

Точка Е называется эвтектической, в ней происходит одновре-
менная кристаллизация компонентов при самой низкой и постоянной
температуре.

 

Кристаллизация и структурообразование сплавов

Сплав I - доэвтектический. Критическая точка I - начало кристаллизации компонента А, две фазы: жидкость и зародыши зерен компонента А.

Критическая точка 2- кристаллизация эвтектики, т.е. из оставшейся к этой температуре жидкости одновременно кристаллизуются компоненты А и В:

 

 

На кривой охлаждения образуется площадка 2-2. Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента А и эвтектики.

По мере охлаждения сплава между точками I и 2 жидкость меняет свою концентрацию по линии AЕ. Чтобы определить состав твердой и жидкой фаз при заданной температуре t₁ сплава I (рис.4), необходи­мо через точку t₁ провести коноду, т.е. прямую линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линиями диаграммы и точки пересечения спроектировать на ось концентрации. Точка пересечения l c линией ликвидус покажет концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе, точка S - в твердой (чистый компонент А).

 

 

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях

 

 

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой

неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

 

Соотношение масс фаз при заданной температуре можно определить по правилу отрезков.

(1)   (2)   (3)

Правило отрезков. Массы фаз относятся между собой как обрат­ная пропорция отрезков коноды. Например, при температуре t₁ сплав I имеет 2 фазы: жидкую и твердую с количеством масс Q_ж и Q_тв, соотношение фаз определится выражением (I), а количество жидкой и твердой фаз - соотношениями (2) и (3):

 

где Р - общая масса сплава.

Сплав II - эвтектический. Критическая точка Е - компоненты А и В кристаллизуются одновременно при постоянной температуре:

Присутствуют 3 фазы: жидкость эвтектического состава, компо­ненты А и В. На кривой охлаждения образуется площадка 1-1.

Структура сплава после охлаждения состоит из эвтектики (смеси кристаллов компонентов А и В).

Сплав III - заэвтектический. Критическая точка - 1 начало крис­таллизации компонента В. Фазы две: жидкость, кристаллы компонента В. По мере охлаждения сплава жидкость меняет концентрацию по линии ликвидус ЕС. Например, при t₂ состав жидкости определится точ­кой n , спроектированной на ось концентраций, а состав твердой фазы - проекцией точки m .

Критическая точка 2 - кристаллизация эвтектики, т.е. из остав­шейся к этой температуре жидкости при постоянной температуре кристаллизуются оба компонента:

Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента В и эвтектики.

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числами фаз системы, ее компонентов и степеней свободы:

(4)

где С - число степеней свободы, или вариантность системы;

К - число компонентов системы;

Ф - число фаз, находящихся в равновесии в данной критической точке.

 

Под числом степеней свободы понимается число независимых па­раметров системы, которые можно изменить, не изменяя равновесия, например, температуру без изменения числа фаз. Так как степень свободы не может быть меньше нуля и дробным числом, то

.

Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной - не более четырех и т.д.

Например, определим число степеней свободы у сплава I в 1-й критической точке (рис.4) :

т.е. с изменением температуры между точками 1-2 число фаз не изме­няется, а происходит переход одной фазы (жидкости) в другую (ком­понент А). Во второй точке

т.е. процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной темпера­туре, система нонвариантна. Изменение температуры ведет к измене­нию количества фаз.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой растворимы
в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации
образуют устойчивое химическое соединение (рис.2.5)..

Диаграмма рассматривается как совокупность двух диаграмм состояния, где в роли компонента выступает химическое соединение:

I часть диаграммы - компоненты А и А_тВ_n ;

II часть диаграммы - компоненты В и А_тВ_n ;

Обе части диаграммы характеризуются неограниченной раствори­мостью в жидком состоянии. В твердом они нерастворимы, при кристал­лизации образуется эвтектическая смесь, состоящая из кристаллов компонента и химического соединения.

'Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограничен-' но растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях (рис.2.6):

АnВ - ликвидус, начало кристаллизации твердого раствора;

АтВ - солидус, конец кристаллизации твердого раствора.

 

Кристаллизация и структурообразование сплавов.

Критическая точка I - начало кристаллизации твердого раство­ра α :  

Приготовление микрошлифов

ВЫРЕЗКА. Вырезка образца из детали обычно производится механическим способом в необходимом для исследования месте, не допуская разогрева и… ШЛИФОВАНИЕ. Исследуемая плоскость образца шлифуется сначала на шлифовальном… ПОЛИРОВКА. До зеркального блеска шлиф полируется на бархате или сукне, на которые наносят окись хрома или алюминия,…

Металлографический микроскоп.

Металлографический микроскоп (рис.1) состоит из оптической системы, осветительного устройства с осветительной камерой и механической системы. Объект… Качество микроскопа характеризуется его разрешающей способностью. Разрешающая… d =

Определение величины зерна

Размер кристаллических зерен определяется на протравленным микрошлифе. Величина зерна- один из факторов, влияющих на свойство сплавов. С укрупнением… Величина зерен под микроскопом определяется двумя методами: визуальной оценкой…  

Диаграмма железо - углерод

 

Диаграмма железо – углерод, изображаемая сплошными лини­ями, является метастабильной диаграммой железо - цементит, а диаграмма, изображаемая пунктирными линиями, является стабиль­ной диаграммой - железо - графит.

 

АВСД (АВС¢Д¢) - линия ликвидус в метастабильной (стабильной) диаграмме.

АНJЕСF (АНJЕ^¢С^¢F^¢) - линия солидус в метастабильной (стабильной) диаграмме.

АВ и АН - линии начала и конца кристаллизации феррите.

 

ВС (ВС^¢) и JE (JЕ^¢) - линии начала и конца кристаллизации аустенита в метастабильной (стабильной) диаграмме.

HJB - линия перитектического превращения. Точка J является перитектической точкой.

ECF (E^¢C^¢F^¢) - линия эвтектического превращения в метастабильной(стабильной) диаграмме.

NH и NJ - линии начала и конца полиморфного превращения d-феррита в аустенит.

СД (С^¢Д^¢) - линии начала кристаллизации цементита (графита)

в метастабильной (стабильной) диаграмме.

С (С^¢) - эвтектическая точка в метастабильной (стабильной) диаграмме.

ЕS (E^¢S^¢) - линии ограниченной растворимости углерода.
в аустените в метастабильной (стабильной) диаграмме.

РQ (Р^¢Q^¢) - линия ограниченной растворимости углерода в феррите в метастабильной (стабильной) диаграмме.

 

 

 

4.3. СТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ.

 

Сталью называется сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием углерода до 2% (точка Е).

Равновесным состоянием называется такое состояние , при котором все фазовые превращения, присущие сплаву, полностью завершились и сплав получил минимум свободной энергии. Равновесное состояние наступает при очень медленном охлаждении.

Структура стали зависит ото содержания в ней углерода и по структуре и содержанию углерода стали подразделяется: сплавы с содержанием углерода менее 0, 02% (левее точки Р) называется техническим железом, сплавы с содержанием углерода до 0,8% (левее точки S) – доэвтектоидной сталью, сплавы с содержанием углерода 0,8% (точка S) – эвтектоидной сталью, сплавы с содержанием углерода более 0,8% (правее точки S) – заэвтектоидной сталью.

В результате кристаллизации стали получается одинаковая зернистая структура аустенита, не зависящая от содержания углерода. Конечная структура стали и ее свойства зависят от процессов перекристаллизации стали, описываемых подсистемой диаграммы Fе-C , изображаемой на рис. 4

 

 

Рис. 4.3. Часть диаграммы состояния сплавов Fе-С, описывающая перекристаллизацию стали

Сплавы I и 2.

Ниже линии GS начинается процесс полиморфного превращения аустенита в феррит. В процессе по­лиморфного превращения содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, а в феррите - по линии GР. На линии GP полиморфное превращение заканчивается, и структура сплавов I и 2 состоит из зерен феррита. При дальнейшем охлаждении сплава I в нем никаких структурных превращений не происходит в сплаве 2 происходит физическое охлаждение сплава без структурных превращений. При температуре сплава ниже линии Р(2 феррит пересыщается углеродом и на поверх­ности зерен феррита образуется третичный цементит, при этом количестве образовавшегося цементита третичного будет равно

 

Структура сплава 1 изображена на рис.4а , сплава 2 - на рис. 4б.

Сплав 4. Эвтектоидная сталь

Сплав 3. Доэвтектоидная сталь

Ниже линии GS начинается полиморфное превращение аустенита в феррит. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, то есть при…    

Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Структура углеродистой стали после охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в структуре стали, например в сплаве 5… Из этого соотношения видно, что с увеличением содержания углерода в стали…

Применение серых чугунов

При сжатии серых чугунов форма, количество и размеры гра­фитных включений практически не оказывает влияния на предел прочности, который оказывается… Графитные включения, нарушающие сплошность металличе­ской основы, делают… Графитные включения улучшают обрабатываемость чугунов резанием.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при

Нормализация вызывает фазовую перекристаллизацию, поэтому способствует устранению пороков структуры, измельчению зерна. В заэвтектоидной стали… КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 1. Каково назначение рекристаллизационного отжига, полного, неполного, нормализации?