- •Материаловедение и технология материалов
- •Часть II. Материаловедение
- •Материаловедение и технология материалов
- •Часть II. Материаловедение
- •Введение
- •Содержание
- •Практическая работа №7
- •Теоретическая часть
- •Кристаллографические обозначения атомных плоскостей и направлений
- •Расчет теоретической плотности кристаллических веществ
- •Сведения об атомных весах и плотности металлов
- •Формулы для расчета объема элементарной ячейки
- •Теоретическая часть
- •Содержание отчета
- •Виды диаграмм растяжения металлических материалов с различным типом кристаллических решеток
- •Испытания на твердость
- •Деформация
- •Фазы и структура в металлических сплавах
- •Диаграммы состояния двойных систем
- •Метод построения диаграмм состояния
- •Правило отрезков
- •Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
- •Диаграмма состояния системы с механической смесью компонентов в твердом состоянии
- •Диаграмма состояния системы с образованием ограниченных твердых растворов
- •Диаграмма состояния системы с химическим соединением
- •Диаграмма состояния системы, компоненты которой претерпевают полиморфные превращения
- •Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и претерпевающих перитектическое превращение
- •Пример выполнения практической работы «Построение и анализ диаграмм состояния двойных систем»
- •Работа №10
- •Теоретическая часть
- •Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах
- •Основные линии и точки на диаграмме железо – углерод
- •Анализ процессов охлаждения железоуглеродистых сплавов различного состава
- •Пример кристаллизации сплава
- •На структуру железо-углеродистых сплавов
- •Превращения в стали при нагреве и охлаждении
- •Отжиг стали
- •Нормализация
- •Закалка стали
- •Отпуск стали
- •Старение
- •Нормализация
- •Термомеханическая обработка
- •Отжиг I рода
- •Отжиг II рода
- •Нормализация
- •Закалка
- •Способы закалки
- •Отпуск закаленных сталей
- •Работа №12
- •Часть II. Материаловедение.
Пример кристаллизации сплава
Рассмотрим кристаллизацию конкретного сплава Iс концентрацией углерода в железе 0,3 % (см. приложение 2, рис. 1). Проведем вертикальную линию фигуративных точек, характеризующую разрез диаграммы для этого сплава. Начиная с жидкой фазы обозначим все точки пересечений линий фигуративных точек с характерными линиями диаграммы (точки 1-8) и последовательно рассмотрим все фазовые и структурные превращения этой доэвтектоидной стали в зависимости от температуры.
В точке 1 сталь находиться в жидком состоянии и компоненты неограниченно растворяются друг в друге. При этой температуре существует только одна фаза – жидкий раствор (L).
При достижении точки 2 лежащей на линии солидус и соответствующей температуре плавления данной стали в системе создаются условия для начала кристаллизации, т.к. уровни свободной энергии Гиббса для жидкой и твердой фаз становятся равны друг другу Gтв =Gж. Это состояние устойчивое и может существовать неограниченно долгое время. Для того чтобы кристаллизация началась необратимо, необходимо некоторое переохлаждение системы на величину ΔТ (степень переохлаждения), которая зависит от скорости охлаждения. При данных условиях чуть ниже точки 2 кристализация системы начинается необратимо с образованием кристаллов твердой фазы в виде зерен δ-феррита.
От точки 2 до 3 в системе существует две фазы – жидкая Lи твердая δ-феррит. Соотношение фаз при любой температуре можно определить по правилу рычага, проведя горизонтальную линию (коноду), соответствующую выбранной температуре. Процентное соотношение компонентов в каждой фазе можно определить по шкале концентраций, спроектировав на нее точку, соответствующую анализируемой фазе. При уменьшении температуры от точки 2 до точки 3 количество жидкий фазы уменьшается по линии ликвидусАВв сторону точки В, а количество твердой фазы вырастает по линии солидусАНв сторону точки Н.
В точке 3, лежащей на линии перетектической реакции, происходит перетектическое превращение:
LB+ ФH↔ АJ
Перетектическое превращение сопровождается полиморфным и часть кристаллов δ-феррита с решеткой ОЦК превращается в фазу аустенита (А) с решеткой ГЦК. В точке 3, лежащей на линии солидус, кристаллизация заканчивается и ниже ее исчезает последняя капля жидкой фазы.
От точки 3 до точки 4 в системе также существует две фазы в виде твердых кристаллов δ-феррита и аустенита, причем с понижением температуры количество аустенита возрастает. В точке 4 полиморфное превращение заканчивается и в системе остается только одна фаза – аустенит, которая без каких – либо превращений остывает до точки 5.
В точке 5 начинается второе полиморфное превращение и часть кисталлов аустенита начинает преобразовываться в кристаллы α-феррита с решеткой ОЦК. Между точками 5 и 7 в системе существует две твердые фазы, причем количество аустенита уменьшается по линии GSв сторону точкиS, а количество α-феррита возрастает по линииGPв сторону точкиP.
В точке 6 объемная доля α-феррита достигает такого значения, что происходит магнитное превращение (точка Кюри для данной стали) и сталь из парамагнитного состояния (немагнитного) переходит в ферромагнитное (сильномагнитное) состояние.
В точке 7, лежащей на линии эвтектоидных реакций, происходит эвтектоидное превращение:
As↔ Фр + Ц
Перлит
В результате эвтектоидного превращения образуется структурная составляющая стали – перлит, имеющая пластинчатое строение в теле одного зерна, состоящая из чередующихся пластин α-феррита и третичного цементита.
Ниже точки 7 структура данной стали формируется полностью и представляет собой зерна перлита, отороченные по границам избыточной фазой α-феррита, образовавшейся в интервале температур от точки 5 до точки 6.
От точки 7 до точки 8 в процессе охлаждения растворимость углерода в α-феррите падает (от 0,02% до 0,006%), в связи с чем образуется дополнительная порция третичного цементита, что утолщает пластины цементита в перлите. В результате после полного остывания структура рассматриваемой стали будет представлять собой зернистый перлит отороченный по границам избыточной фазой α-феррита. Причем чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем меньше в структуре избыточного феррита, который полностью исчезает при эвтектоидной концентрации.
Рассмотрим кристаллизацию заэвтектоидной стали (Сплав II на рис. 1, приложение 2) с содержанием углерода 1,2 %. В точке 1 сталь находитиьсяв жидком состоянии, компоненты неограниченно растворимы друг в друге. При охлаждении стали до температуры, соответствующей точке 2, лежащей на линии ликвидус, создаются условия для начала кристаллизации. Уровень свободной энергии жидкой и твердой фазы становятся равными. Для того, чтобы начался процесс кристаллизации необходимо переохлаждение стали на величинуТ, которая зависит от скорости охлаждения. Таким образом, при переохлаждении ниже точки 2 жидкая фаза, которая начинает кристаллизоваться с образованием аустенита (- фаза). Этот процесс продолжается по мере охлаждения стали до точки 3, лежащей на линии солидус. К этому моменту вся жидкая фаза превращается в аустенит.
В процессе охлаждения от точки 3 до точки 4 никаких превращений не происходит, в стали существует одна фаза – аустенит. Ниже точки 4 предельная растворимость углерода в аустените, которая определяется линией ES, меньше, чем его содержание в- фаза, поэтому при охлаждении сплава от температуры точки 4 до температуры точки 5 из аустенита выделяется углерод, образующий при взаимодействии с железом вторичный цементит.
В точке 5, соответствующей температуре 727С и лежащей на линииPSK, происходит эвтектоидное превращение, то есть аустенит по составу соответствующей эвтектоидной точкеSпревращается в перлит, который представляет собой смесь- феррита, соответствующего по составу точке Р и цементита:
As ↔ Фр + Ц
Перлит
Таким образом ниже точке 5 структура сплава состоит из зерен перлита по границам которых, располагаются пластинки вторичного цементита.
В процессе охлаждения от точки 5 до точки 6 уменьшается предельная растворимость углерода в - феррите, входящем в перлит от точке Р (0,02 % С) до точкиQ(0,006%C), что является причиной образования дополнительной порции третичного цементита в перлите при этом происходит утолщение цементных пластин.
После полного остывания структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита и пластинчатые выделения вторичного цементита по границам зерен. И чем больше содержание углерода в заэвтектоидной стали, тем больше количество вторичного цементита в ней.
Рис. 1 Структурные и фазовые превращения в системе железо – углерод в зависимости от концентрации углерода
Дидактическое обеспечение
по теме: «Диаграмма состояния железо-углерод»
Влияние концентрации углерода