- •Лабораторная работа №1 Механические свойства металлов и сплавов
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Определение прочности и пластичности
- •3. Определение твёрдости
- •3.1 Основные понятия
- •3.2. Порядок выполнения работы
- •4. Определение ударной вязкости
- •4 1. Основные понятия
- •4.2. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчёта
- •Лабораторная работа №2 Макроанализ металлов и сплавов
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Основные понятия
- •3. Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №3 Микроанализ
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Основные понятия
- •2.1. Подготовка микрошлифов.
- •2.2. Устройство металлографического микроскопа.
- •2.3. Порядок работы на металлографическом микроскопе.
- •3. Порядок выполнения работы
- •2.2. Двойные сплавы.
- •Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №5 Диаграмма Fe - Fe3c
- •1. Общие сведения
- •Правило фаз
- •3. Характеристика металлических сплавов.
- •4. Фазовая диаграмма состояния .
- •5. Структурная диаграмма железо-углеродистых сплавов
- •6. Содержание работы.
- •Лабораторная работа №6 Отожженные стали
- •1. Цель и содержание работы.
- •2. Основные понятия.
- •2.1 Виды отжига.
- •2.2 Структура отожженной стали.
- •2.2 Области применения.
- •3. Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №7 Чугуны
- •1. Цель и содержание работы.
- •2. Основные понятия.
- •3. Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №8 Термообработка сталей
- •1. Цель и содержание работы.
- •2. Необходимые оборудование и пособия.
- •3. Основные понятия.
- •4. Порядок выполнения работы.
- •5. Содержание отчета.
- •3. Способы определения прокаливаемости.
- •3.1. Определение прокаливаемости углеродистых сталей.
- •3.2. Определение прокаливаемости легированных сталей.
- •4. Порядок выполнения работы.
- •3. Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №11 Легированные стали
- •1. Цель и содержание работы.
- •2. Основные понятия.
- •2.1. Влияние легирующих элементов.
- •2.2. Классификация по структуре в отожженном состоянии.
- •2.3. Классификация по структуре после охлаждения на воздухе.
- •3. Порядок выполнения работы.
Правило фаз
Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: система, компонент, фаза.
ПОД МАТЕРИАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ вообще понимают часть пространства, заполненную веществом, которую выделяют для какого-либо исследования. Остальное окружающее пространство называют внешней средой. В металловедении объектами исследования являются физико-механические системы, включающие чистые металлы и металлические сплавы, т.е. простые и сложные по химическому составу вещества, которые при изменении температуры и давления могут претерпевать различные превращения, например, плавление, переход из одной кристаллической формы в другую и т.д. Физико-химической называют ту систему, между отдельными частями которой возможен обмен энергией и веществом. Системой (физико-химической) называют совокупность бесконечно большого числа сплавов, которые можно получить при сплавлении двух и большего числа металлов и неметаллов. Т.е. система - это или отдельный металлический сплав (заданного состава), или совокупность бесконечно большого числа сплавов, образованных данными металлами (и неметаллами). В системе железо - углерод - вся совокупность возможных сталей и чугунов.
ВЕЩЕСТВА, образующие систему, называются КОМПОНЕНТАМИ. Компонентами могут быть чистые элементы, как металлы, так и неметаллы (например, железо и углерод), а также устойчивые химические соединения (например, карбид железа - цементит).
Физико-химические системы могут состоять из одной фазы (гомогенные системы) или из нескольких фаз (гетерогенные системы). ФАЗАМИ называют однородные по химическому составу, агрегатному состоянию и строению составные части сплава, отделенные поверхностью раздела от других частей, имеющих иной химический состав, агрегатное состояние или кристаллическую структуру. Фазами могут быть чистые металлы и неметаллы, возможные их аллотропические модификации, химические соединения, жидкие и твердые растворы.
Любая гомогенная система всегда однофазна, и ее химический состав идентичен составу фазы. Всякая же гетерогенная система всегда многофазна, но не обязательно, чтобы все ее фазы имели разный химический состав. Например, расплав и кристаллы (т.е. жидкая и твердая фазы) чистого металла представляют собой две фазы одного химического состава. Химический состав каждой фазы в металлическом сплаве можно выразить через концентрацию компонентов.
В металлических системах внешними факторами, влияющими на состояние системы, являются температура и давление. Внутренним переменным фактором является концентрация. Если система находится в равновесии, то все внутренние (концентрация) и внешние (температура и давление) факторы системы уравновешены, и в ней все процессы превращения совершаются обратимо. Таким образом, равновесие означает, что при данных внешних условиях в металлических сплавах сохраняются неизменными число и состав фаз.
Равновесное состояние системы подчиняется ПРАВИЛУ ФАЗ ГИББСА и выражается уравнением:
С=К-Ф+П
где С - число степеней свободы - вариантность системы, под которой понимается число внешних и внутренних факторов (t - температура, - давление, с - концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе;
К - число компонентов, образующих систему;
Ф - число фаз, находящихся в равновесии; в двойной (бинарной) системе находиться в равновесии могут максимум три фазы; в тройной –четыре и т.д.;
П - число внешних факторов равновесия, к которым относятся - давление и t - температура.
Если П= 2, тогда правило фаз имеет следующий" вид:
С = К-Ф+2
Обычно сплавы рассматриваются при постоянном давлении, поэтому практически пользуются следующим уравнением правила фаз:
С = К-Ф+I.
Например, рассмотрим кристаллизацию однокомпонентного жидкого металла.
1) Вначале металл жидкий, однородный (гомогенный): число компонентов К = I, число фаз Ф=1. Степень свободы С=К-Ф+1=1-1+1=1. Это значит, что можно изменять температуру, агрегатное состояние не изменится.
2) Началась кристаллизация: число компонентов К=1, число фаз Ф = 2 (жидкость и кристаллы твердого компонента). Степень свободы С = К-Ф+1=1-2+1=0. Это значит, что две фазы (жидкая и твердая) находятся в равновесии при строго определенной температуре (плавления или кристаллизации и она не может быть изменена до тех пор, пока вся жидкость не превратится в кристаллическое вещество, т.е. пока система не станет одновариантной.
Система, в которой степень свободы С = 0, называется безвариантной (нонвариантной); С = 1 - одновариантной (моновариантной); С = 2 - двухвариантной (бивариантной) и т.д.
Правило фаз представляет собой математическое выражение условия равновесия системы, и с его помощью можно устанавливать отклонения (по числу фаз) в структуре сплавов от равновесных условии, описываемых диаграммой состояния. Правило фаз дает возможность контролировать правильность экспериментального построения диаграмм состояния и устранять возможные ошибки в изображении фазовых равновесий.