- •МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
- •1.1. Металлы, их классификация и основные физические свойства
- •1.3. Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток
- •1.4. Строение сплавов
- •2.1. Энергетические и температурные условия процесса кристаллизации
- •2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
- •3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
- •3.2. Деформации и напряжения
- •4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
- •4.1. Правило фаз, построение диаграмм состояния
- •4.4. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с эвтектикой
- •4.6. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения
- •4.7. Диаграмма состояния для сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов
- •4.8. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением
- •6. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
- •7.1. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
- •7.2. Отжиг углеродистых сталей
- •8.1. Закалка углеродистых сталей
- •Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, измерительные инструменты, подшипники и другие особо точные изделия.
- •8.2. Отпуск закаленных углеродистых сплавов
- •9.1. Назначение легирования
- •9.2. Влияние легирующих элементов на структуру и механические свойства сталей
- •9.3. Влияние легирования на превращения при термообработке
- •10.1. Упрочнение легированием
- •10.2. Упрочнение пластическим деформированием
- •10.4. Цементация стали
- •10.5. Азотирование стали
- •10.6. Нитроцементация
- •11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
- •12.3. Жаропрочные стали и сплавы
- •12.4. Жаростойкие стали и сплавы
- •13.1. Условия работы деформирующих и режущих инструментов, требования к инструментальным материалам
- •13.2. Инструментальные легированные (штамповые) стали
- •13.3. Классификация режущих инструментальных материалов
- •14. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
- •14.1. Классификация твердых сплавов и общая характеристика их свойств
- •14.2. Режущая керамика
- •14.3. Сверхтвердые инструментальные материалы
4.ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
4.1.Правило фаз, построение диаграмм состояния
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощьюдиаграмм фазового равновесия, которые в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.
Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачкообразно.
При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор– температуру, т. к.давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твердом и жидком состояниях. Тогда общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз(правилом Гиббса) и при постоянном давлении выражается следующим уравнением:
С = К + 1 – j , |
(4.1) |
где К – число компонентов в системе; j – число фаз; С – число степеней свободы (вариантность системы).
Число степеней свободы С– число независимых внутренних переменных (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно менять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. При фазовых превращениях в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, чем исходная, но обязательно в процессе фазового превращения свободная энергия системы, в целом, должна уменьшаться.
По кривым свободной энергии можно геометрическим путем построить основные типы диаграмм состояния. Их строят в координатах температура– концентрация в процентном содержании по массе.
Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, свя-
47
занным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.
При изучении превращений в твердом состоянии используют различные методы физико–химического анализа, микроанализа, рентгеноструктурного, дилатометрического, магнитного анализов и др.
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются один в другом, образуя однофазный жидкий раствор. Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерогенные флуктуации, но и флуктуации концентрации. Флуктуациями концентрации называют временно возникающие в отдельных малых объемах жидкого раствора отклонения химического состава сплава от среднего его состава. Такие флуктуации возникают в результате диффузионного перемещения атомов вещества и вследствие тепловых движений в жидком растворе. Зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.
Скорость роста кристаллов в жидких растворах меньше, чем в чистых металлах. Это объясняется тем, что рост кристаллов требует диффузионного перемещения атомов компонентов в жидком растворе.
Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.
Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.
Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.
4.2. Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов
Общий вид диаграммы для случая, когда оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом – не растворяются, не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений, представлен на рис. 4.1. Фазы: жидкость – Ж, кристаллы – А и В.
Линия начала кристаллизации АСВ, является линией ликвидус; линия конца кристаллизации ДСЕ – линией солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы А; на линии СВ – кристаллы В; на линии ДСЕ из жид-
48
кости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.
Рис. 4.1. Общий вид диаграммы состояния и кривые охлаждения сплавов: 1 – заэвтектического; 2 – доэвтектического; 3 – эвтектического
На рис. 4.2 схематически показано строение сплава в разные моменты кристаллизации.
Рис. 4.2. Строение сплавов
Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это определяется по правилу отрезков.
Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку а (рис. 4.1), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересеченияв и с на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фазв1 и с1 . Отрезки этой линии между точкой а и точками в и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:
Ж = ac/bc; B = ab/bc.
Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния.
При оценке прочностных и других свойств сплава следует иметь в виду, что часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем представленная более крупными зернами избыточной фазы.
49
4.3. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии
На рис. 4.3 приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток и сходное строение наружных электронных оболочек.
Рис. 4.3. Общий вид диаграммы состояния и кривая охлаждения сплава
Линия АМВ – линия ликвидус; линия АNВ – линия солидус; фаза α представляет собой твердый раствор компонентовА и В, зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава числа атомов компонентов А и В в элементарных ячейках решетки различно.
В случае ускоренного охлаждения сплава при кристаллизации диффузионные процессы не успевают завершиться. В связи с этим центральная часть каждого зерна оказывается обогащенной более тугоплавким компонентом В, а периферийная – легкоплавким компонентом А. Это явление называется дендритной ликвацией, снижающей прочностные и другие свойства сплавов.
Дендритная ликвация может быть устранена путем длительного отжига, который называется диффузионным. Происходящие при этом диффузионные процессы выравнивают химический состав в зернах.
При образовании твердого раствора временное сопротивление при растяжении, предел текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. Это объясняется тем, что атомы растворенного элемента группируются в искаженных областях решетки, что мешает продвижению дислокаций.
50