Э_Г_Бабенко конструкционные материалы

творимость компонента В в компоненте А. Следовательно, концентрация сплава, соответствующая точке К показывает растворимость В в А при температуре tА, а точка М соответствует максимальной растворимости компонента В в компоненте А. Значит сплавы левее КМ состоят из кристаллов ненасыщенного твердого раствора А(В); на самой линии КМ насыщенные кристаллы А(В); правее линии КМ в сплавах, кроме насыщенных кристаллов А(В), будут еще кристаллы избыточного компонента В, которые обозначаются ВII.

Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов этой системы. Сплав I начинает кристаллизоваться при понижении температуры ниже соответствующей точки 1 (ликвидус) с выделением кристаллов твердого раствора α. При температуре 2 (солидус) кристаллизация заканчивается и сплав в равновесных условиях состоит только из кристаллов твердого раствора α. От температуры 2 до полного охлаждения в сплаве никаких струк-

турных изменений не происходит.

В сплаве II в начале кристаллизации (точка 3) из жидкого расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора α. Кристаллизация заканчивается при температуре 4. В интервале температур 4–5 сплав состоит только из твердого раствора α. Ниже точки 5, ввиду ограниченной растворимости, в компоненте А не может раствориться столько компонента В, сколько его содержится в сплаве. Поэтому избыточный компонент В будет выделяться из α в виде вторичных кристаллов ВII. Этот процесс происходит до полного охлаждения сплава и называется вторичной кристаллизацией. В результате после охлаждения сплав состоит из твердого раствора А(В) и очень мелких вторичных кристаллов компонента В, т. е. α + ВII.

Кристаллизация сплава III начинается при температуре ниже точки 6 с выделением кристаллов α. При дальнейшем понижении температуры (между точками 6–7) количество твердого раствора увеличивается и его состав меняется по линии солидус (линия РМ). Состав жидкого раствора также изменяется, но по линии ликвидуса (РД). Так, например, при t6а состав твердого раствора соответствует точке с′, а состав жидкой фазы – точке о′. При достижении эвтектической температуры tЭ (точка 7) состав кристаллов α соответствует максимальной растворимости В в А (точка М), а жидкий – точке Д. Последний, закристаллизовавшись, образует эвтектику, состоящую из кристаллов α состава точки М и кристаллов чистого компонента В: Эвт [α + В]. В итоге после окончания кристаллизации, сплав будет иметь следующий состав: α + Эвт [α + В].

При дальнейшем понижении температуры наступает ограничение растворимости В в А. Из твердого раствора α (как в самостоятельной фазе, так и в составе эвтектики) начинают выделяться кристаллы ВII, что ведет к уменьшению компонента В в твердом растворе по линии МК: α + ВII + Эвт[α + ВII + В]. В связи с тем, что очень мелкие кристаллы ВII внутри эвтектики объединяются

41

с кристаллами В в однородные зерна и обычно не обнаруживаются при микроскопических исследованиях, окончательный состав сплава III записывается таким образом: α + ВII + Эвт[α + В].

Сплав IV на первом этапе кристаллизации выделяет чистый компонент В, количество которого при понижении температуры увеличивается. Состав жидкого раствора изменяется по линии ДЕ и при достижении эвтектической температуры (точка 9) имеет концентрацию компонентов А и В, определяемую точкой Д (эвтектическая смесь). В результате по окончании кристаллизации сплав IV имеет состав: Эвт [α + В] + В.

При дальнейшем охлаждении из-за ограниченной растворимости твердого раствора в составе эвтектики из α выделяются кристаллы ВII, которые объединяются с кристаллами В в однородные зерна. В результате до окончательного охлаждения сплав IV структурно не изменяется.

Диаграмма с перитектикой. Твердые растворы могут образоваться не только из жидкой фазы, но и при ее взаимодействии с твердой. Процесс образования новой фазы за счет растворения существующей твердой фазы в жидкости называется перитектическим.

t,оС		II		I	III		Диаграмма		состояния	такого
	Ж					Д	типа приведена на рис. 32. Ком-
		2		1	5		поненты диаграммы: компонент А
							и компонент В. Фазы: жидкая – ж,
	К		Ж+В		6
t		3		P		M	ограниченный		твердый	раствор
п							компонента В в компоненте А – α
	Ж+α
С		4		α+BII+Bизб			и кристаллы компонента В. Линия
	α						СКД –	линия ликвидуса,		СРМ –
			α+BII				линия солидуса, РН – линия рас-
	К		Н				творимости компонента В в ком-
А	20	40	60		80	В	поненте А, КРМ – линия перитек-
				В,%			тического, превращения, которое
Рис. 32. Диаграмма состояний сплавов с пе-							происходит при температуре tП.
							Сплав I (перитектический) на-
ритектикой							чинает	кристаллизоваться			при
							температуре,		соответствующей
точке 1 с выделением кристаллов компонента В. При понижении темпера-
туры количество кристаллов В увеличивается, а его концентрация в жид-
кой фазе уменьшается.
Состав жидкой составляющей изменяется по линии 1К и при темпера-
туре tП достигает концентрации компонентов, соответствующей точке К,
т. е. достигаются условия, при которых происходит перитектическая реак-
ция: жидкий расплав состава К взаимодействует с кристаллами компонен-
та В и образует твердый раствор α, состав которого соответствует точке Р.
Следовательно, для образования α перитектического состава (в соответ-
ствии с правилом отрезков) необходимо, чтобы количество жидкой фазы

42

состава К соответствовало отрезку РМ, а количество кристаллов В – отрезку КР.

При дальнейшем охлаждении сплава, ввиду ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линия РН), из твердого раствора α перитектического состава будут выделяться кристаллы ВII. В итоге после полного охлаждения перитектический сплав I состоит из твердого раствора α и вторичных кристаллов компонента В: α + ВII.

Кристаллизация сплава II начинается при температуре, соответствующей точке 2, с выделением первичных кристаллов В. При достижении температуры tП (точка 3) состав жидкого раствора соответствует точке К. При этой температуре происходит перитектическая реакция, для которой требуется количество жидкой фазы, соответствующее отрезку РМ. В рассматриваемом случае количество жидкой фазы соответствует отрезку 3М, что больше необходимого для перитектической реакции. В связи с этим часть жидкого расплава в перитектическом превращении принимать участия не будет, и сплав II в точке 3 состоит из кристаллов твердого раствора α (состав Р) и жидкой фазы (состава К). При дальнейшем охлаждении до точки 4 оставшаяся жидкость затвердевает с образованием α. После окончательного охлаждения сплав состоит только из зерен твердого раствора α.

В сплаве III кристаллизация начинается также с выделения первичных кристаллов компонента В. При понижении температуры (между точками 5 и 6) количество жидкого расплава уменьшается, его состав изменяется по линии 5К и к точке 6 достигает соответствующего точке К. По окончании кристаллизации (точка 6) происходит перитектическая реакция от взаимодействия жидкой фазы состава точки К и первичных кристаллов В. В связи с тем, что для этой реакции количество кристаллов В требуется соответствующее отрезку КР, а имеется больше (отрезок К6), часть кристаллов В в перитектическом превращении принимать участия не будет и сплав после кристаллизации состоит из твердого раствора α состава Р и первичных кристаллов компонента В, которые называются избыточными (Визб). При дальнейшем охлаждении, ввиду ограниченной растворимости компонента В в А, из твердого раствора α будут выделяться вторичные кристаллы компонента В. Окончательно структура сплава III будет: α + ВII + Визб.

2.2.6.Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (IV рода)

В металлических сплавах могут образовываться различные химические соединения как между двумя или несколькими металлами (интерметаллиды), так и между металлами и неметаллами (карбиды, оксиды, нитриды и др.). Обычно химическое соединение имеет свою кристалли-

43

ческую решетку, отличную от кристаллических решеток составляющих его компонентов.

Поэтому свойства химического соединения всегда резко отличаются от свойств этих компонентов. Химическое соединение, как правило, имеет высокую твердость, малую пластичность, большое электросопротивление, относительно низкую теплопроводность. Следовательно, если какие-либо металлы А и В образуют химическое соединение, то оно может быть обозначено простой формулой АnВm, которая показывает, что между собой соединяются n атомов компонента А и m атомов компонента В, образующие одну кристаллическую решетку. На диаграмме состояний этому соединению будет соответствовать определенная ордината.

Химические соединения могут быть устойчивыми или неустойчивыми. В первом случае они сохраняются до температуры плавления, во втором – распадаются ниже температуры плавления.

Если в химическом соединении возможна замена какой-то части атомов одного из элементов атомами другого, то образуется твердый раствор на основе химического соединения.

На рис. 33 приведена диаграмма состояния двух компонентов, образующих одно химическое соединение, в котором оба компонента не растворяются. Компоненты диаграммы: компонент А и компонент В. Фазы: жидкая Ж, кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, кристаллы химического соединения АnВm. Линия СДЕМН – линия ликвидуса, ОДРКМЛ – линия солидуса. Линии ОДР и КМЛ – линии эвтектических превращений. Точка Е соответствует температуре плавления химического соединения АnВm.

t,оС					Ж			Н
					E
С					Ж+АnВm		Ж+В
						M
Ж+А		Д	Ж+АnВm		К			Л
					P
О				m
+
	]			В
[А			+	n	Эвт2[АnВm+		Эвт2[АnВm+
	m
1	В		[А	]+А	+В]+АnВm		+В]+В
А+Эвт	n		1	m
	+А		Эвт	В
				n
				+А
А		20		40	60		80	В
				АnВm
					В,%
Рис. 33. Диаграмма состояния сплавов, образующих ус-
тойчивое химическое соединение (ΙV рода)

44

Приведенную диаграмму можно рассматривать как две простые диаграммы I рода: диаграмму состояния сплавов компонента А и химического соединения АnВm и диаграмму состояния того же химического соединения и компонента В. Следовательно, диаграмма состояния сплавов в случае образования химического соединения раскладывается на две, в каждой из которых химическое соединение играет роль самостоятельного компонента.

Сплав, кристаллизующийся в точке Д, состоит из механической смеси кристаллов компонентов А и АnВm. Эта эвтектика на диаграмме обозначена: Эвт1 [А + АnВm]. Кристаллизация сплавов, расположенных левее точки Д, начинается с выделения кристаллов компонента А. При дальнейшем понижении температуры жидкая фаза изменяет концентрацию компонентов по линии СД (ликвидус) и при достижении температуры солидуса (линия ОР) претерпевает эвтектическую реакцию. В результате до полного охлаждения эти сплавы состоят: А + Эвт1 [А + АnВm].

Кристаллизация сплавов, расположенных правее точки Д, начинается с выделения кристаллов АnВm, а заканчивается на линии ОР образованием Эвт1 [А + АnВm]. В итоге после полного охлаждения сплавы имеют:

АnВm + Эвт1 [А + АnВm].

Сплав, кристаллизующийся в точке М, образует эвтектику: Эвт2 [АnВm + В]. Кристаллизация сплавов, расположенных левее точки М, начинается с выделения химического соединения АnВm, а расположенных правее – с образования кристаллов компонента В. Заканчивается кристаллизация обеих групп сплавов образованием Эвт2 [АnВm + В]. Поэтому сплавы между точками К и М после окончательного охлаждения имеют состав: АnВm + Эвт2 [АnВm + В], а сплавы между точками М и Л – В + Эвт2 [АnВm + В].

2.2.7.Связь между диаграммами состояний

исвойствами двухкомпонентных сплавов

Рассмотренные диаграммы состояний дают характеристику строения сплавов различного состава при различных температурах. Вместе с тем состав и строение сплавов оказывают влияние на их свойства. Исследованиям такой связи посвящены работы академика Н.С. Курнакова – одного из основоположников физико-химического анализа сплавов.

На рис. 34 приведены зависимости свойств (в частности твердости, НВ) от состава сплава.

45

а	б	в		г
t,оС	В			АnВm	В
		В А
А				В
				А
	А
HB				В
	В
		В			В
А	А	А		А
В,%		В,%	В,%	В,%

Рис. 34. Зависимость твердости сплавов от вида диаграммы состояний

В сплавах, имеющих структуру механических смесей (рис. 34, а), кристаллы компонентов А и В полностью сохраняют свои свойства. Поэтому свойства всех сплавов будут изменяться по прямолинейному закону от компонента А до компонента В.

Сплавы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии изменяют свои свойства по криволинейному закону в зависимости от химического состава (рис. 34, б). Кривая на диаграмме «состав – свойства», как правило, имеет максимум. Например, твердость у твердых растворов может быть выше, чем у чистых компонентов.

Если сплавы образуют ограниченные твердые растворы (рис. 34, в), то свойства в области однофазных твердых растворов изменяются по криволинейному закону, а в области механических смесей – по прямолинейному.

При образовании химического соединения АnВm (рис. 34, г), в котором не растворяются ни компонент А, ни компонент В, свойства изменяются по ломаной линии с максимальным значением у химического соединения.

Зная характер взаимодействия между типом диаграммы и свойствами, можно определять состав сплава, который формирует заранее заданные свойства.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику основных видов сплавов.

46

2.Что называется диаграммой состояния сплавов? Основные виды диаграмм двухкомпонентных сплавов.

3.Для чего необходимо правило отрезков? Какова связь между диаграммами состояний и свойствами двухкомпонентных сплавов?

4.В чем состоит отличие твердых растворов внедрения и твердых растворов замещения?

5.Какова структура сплавов в виде механических смесей?

6.Что называется линией ликвидус?

7.Что называется линией солидус?

8.На основании каких данных строятся диаграммы состояния сплавов?

9.Какова структура эвтектического сплава?

Рекомендуемый библиографический список [1–6].

3. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами практически во всех странах мира. Масштабы их производства в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень эволюции государства и служат материальной основой развития различных отраслей техники.

В общем случае железоуглеродистые сплавы подразделяются на две основные группы: стали и чугуны.

3.1. Диаграмма состояния железо–цементит (Fe-Fe3C)

3.1.1. Общие положения

Получение сплавов с заданными свойствами базируется прежде всего на анализе системы «состав–структура–свойства» и ее изменении при воздействии внешних условий, таких как температура, давление, механические нагрузки и др. Впервые зависимость «состав–свойства» в виде диаграммы построил в 1819 г. Гей-Люссак, изучая растворимость солей в воде. С тех пор получены тысячи диаграмм «состав–свойства» с основной зависимостью температуры плавления (кристаллизации) от химического состава сплавов. Однако наиболее значимые для практики диаграммы состояний были разработаны гораздо позже.

47

Быстро расширяющееся производство чугунов и сталей во второй половине XIX в. поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не только с проблемой получения металлов, но и с необходимостью обеспечить максимально высокое их качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие в литой стали при ее механической и тепловой (термической) обработке. Начало было положено трудами русских металлургов (П.П. Аносова, А.С. Лаврова, Н.В. Калакуцкого и др.) и ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чернов, который явился основоположником новой отрасли науки – металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д.К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали. Он графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании (рис. 35). На прямой линии (термометрической шкале) он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались изменения. Точки характеризуют превращения, происходящие в стали при определенных температурах во время нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру, а соответственно и свойства металла.

Рис. 35. Точки Д.К. Чернова

Открытые Д.К. Черновым точки дали возможность Х. Розенбому в 1900 г. разработать диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов (диаграмма «железо–углерод»). Эта классическая диаграмма (уточненная немецким ученым П. Геренсом) и по сей день имеет решающее значение при получении и обработке (особенно термической) сталей и чугунов.

Без этой диаграммы практически невозможно разобраться в тех процессах, которые происходят в железоуглеродистых сплавах при

48

различных видах теплового воздействия. На ее основе устанавливаются наиболее рациональные режимы литья деталей, обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки), сварки и наплавки с последующей термической обработкой изделий.

Углерод в сплавах с железом образует карбид железа Fe3C (цементит). Однако при определенных условиях (очень медленное охлаждение, длительная выдержка при высоких температурах, наличие специальных модификаторов и др.) он может выделяться в свободном состоянии в виде графита. Образование графита возможно также при распаде карбида железа. Таким образом, железоуглеродистые сплавы могут находиться в двух системах: системе Fe–Fe3C (железо–цементит) и системе Fe–C (железо–углерод). В первой системе компонентами сплавов являются железо и карбид железа, а во второй – железо и графит.

Распад цементита, сопровождающийся выделением свободного углерода в виде графита, является процессом необратимым, так как при последующем нагреве цементит вновь не образуется. Следовательно, система Fe–Fe3C, в которой возможен необратимый распад цементита, не является полностью равновесной. Такая система называется метастабильной. Система Fe–C, в которой нет необратимых процессов, называется равновесной или стабильной. Однако во многих железоуглеродистых сплавах карбид железа очень устойчив не только в обычных условиях эксплуатации, но и при весьма значительном и длительном нагреве. Поэтому практически систему Fe–Fe3C в большинстве случаев можно считать условно равновесной. Такая диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов, т. е. таких сплавов, в которых нет свободного углерода.

При изучении структур железоуглеродистых сплавов, в которых углерод находится в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны) используется диаграмма Fe–C.

Рассмотрим диаграмму Fe–Fe3C (железо–цементит), общий вид которой приведен на рис. 36. Особенностью такой диаграммы является то, что концентрация углерода взята только до 6,67 %, что соответствует его содержанию в цементите (Fe3C). Применяемые в практике железоуглеродистые сплавы содержат углерода не более 4…5 %, что меньше 6,67 %. Поэтому рассматривать диаграмму при содержании углерода более 6,67 % не имеет смысла.

Сплавы, содержащие углерода до 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами.

49

50

Жидкость + Т,оС А

+ феррит

H

B

Феррит + 1500

J

+ аустенит

Феррит

1400

1392

N

Жидкость

1300

Жидкость +

D

+ аустенит

1200

Жидкость +

+ цементит

1147

Аустенит

(первичный)

E

С

F

1100

1000

Аустенит +

Цементит (первичный) +

G

+ цементит (вторичный)+

900

Аустенит +

+ ледебурит

+ ледебурит

Аустенит +

+ цементит

+ феррит

(вторичный)

800

M 768

O

727

Феррит

K

Феррит + 700

P

S

Цементит

Перлит +

Цементит (первичный) +

+ цементит

Феррит+

+ цементит (вторичный)+

(третичный)

+перлит

(вторичный)+

+ ледебурит

+ перлит

+ ледебурит

L

600

Q 0,02

6,67 C,%

0,8

1,0

2,0

2,14

3,0

4,0

4,3

5,0

6,0

Рис. 36. Диаграмма состояния железо – цементит (Fe-Fe3C)