11 вопрос:
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового и структурного состава сплава в зависимости от температуры и концентрации.
Зная диаграмму, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определитьтемпературу плавления и кристаллизации сплава, оценить жидкотекучесть выбранного сплава, сделать заключение о возможности и условиях обработки сплава давлением. Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для конкретного сплава. Диаграмму состояний строят в двух измерениях: по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация (рис.1).
Для построения Диаграммы состояний необходимо экспериментально определить критические точки (температуры фазовых превращений) как для чистых компонентов А и В, так и для сплавов различных концентраций. Чтобы установить критические точки необходимо:
- приготовить ряд сплавов, например, I, II, III, IV, V, состав которых отмечен на рис.1 ( в данном случае I и V являются чистыми компонентами системы А и В);
- расплавить сплавы и провести их медленное охлаждение, фиксируя зависимость понижения температуры от времени охлаждения;
- построить кривые охлаждения каждого сплава;
- по перегибам и остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходят фазовые превращения.
Далее следует перенести полученные критические точки на ординаты соответствующих сплавов (рис.1).
Соединив точки, имеющие одинаковую физическую сущность, получим диаграмму состояния сплавов компонентов А и В.
На диаграмме верхнюю линию как геометрическое место критических точек, при которых начинается процесспервичной кристаллизации, называют линией ликвидус. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Нижнюю линию как геометрическое место критических точек, при которых заканчивается процесс первичнойкристаллизации, называют линией солидус. Между линиями ликвидус и солидус часть сплава существует в жидком состоянии, часть сплава – в твердом состоянии.
Строение (структура) металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты при ихплавлении и кристаллизации. Элементы, обладающие взаимной растворимостью в жидком состоянии, в результате совместной кристаллизации могут по-разному взаимодействовать, образуя при этом в твердом состоянии твердые растворы, механические смеси или химические соединения.
В каждом случае диаграмма состояния сплавов будет иметь свой особый вид.
Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных сплавов, обращая особое внимание на превращения в твердом состоянии.
1. диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях (Ni-Cu, Ag-Au, Mo-W, Mo-V и др.)
Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковый тип кристаллической решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма(рис.2) состоит из двух линий – ликвидус и солидус. ликвидус и солидус пересекаются между собой в точкахкристаллизаций чистых компонентов А и В (А′ - это температура плавления – кристаллизации компонента А; В′ -температура плавления - кристаллизации компонента В). Все сплавы затвердевают в интервале температур.
Для анализа данной Диаграммы достаточно рассмотреть один (любой) сплав. Рассмотрим для примера сплав 1, содержащий 40% А и 60% В. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. процесс кристаллизацииначинается при температуре t1. Проведя изотерму, определим, что из жидкости выпадают кристаллы α-твердогораствора концентрации точки 1′ (5%А+95% В). При температуре 2 выпадают кристаллы α-твердого раствора,концентрация которых определяется проекцией 2′ на ось концентрации (30% А + 70% В), а оставшийся жидкий сплавимеет состав точки 2′′ (83%А + 17% В). При температуре 3 процесс кристаллизации закончится, сплав полностью затвердеет. Таким образом, для выбранного сплава концентрация α-твердой фазы изменяется по линии солидус отточки 1′ до 3, а жидкой фазы – по линии ликвидуса от точки 1 до точки 3′′.
При медленном охлаждении сплава успевают пройти процессы диффузии, благодаря чему состав всех выпавшихкристаллов α-твердого раствора выравнивается, стремясь к исходному (50% А + 50% В). После медленногоохлаждения сплав 1 (как и все другие сплавы этой системы) будет иметь однородную зернистую структуру, состоящую из кристаллов α-твердого раствора
12 Вопрос:
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянияхине образуют химических соединений.
Компоненты: А, В.
Фазы: L, α.
Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствораLи твердого раствора α. Следовательно, трех фаз быть не может,кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.
Диаграмма, изображенная на рис. 1, состоит из трех областей: жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.
Линия АmВ является линией ликвидус, а линия АnВ — линией солидус.Процесс кристаллизации изображается кривой охлаждения сплава (рис. 2).
Точка 1 соответствует началу кристаллизации, точка 2 — концу. Междуточками 1 и 2 (т. е. между линиями ликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах системамоновариантна (с = k—f+1 = 2 — 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах; каждой температуресоответствуют строго определенные составы фаз. концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус, определяютсяправилом отрезков. Так, сплав К в точке а состоит из жидкой и твердой фаз.Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линииликвидус, а Состав твердой фазы — проекцией точки с, лежащей на линиисолидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.
Во всем интервале кристаллизации (от точки 1до точки 2) из жидкого сплава,
имеющего исходную концентрацию К,выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. Закончиться кристаллизация сплава К должна в точке 2, когда последняя капля жидкости, имеющая Состав l, затвердеет. Отрезок, показывающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке /, когда только началась кристаллизация, и количеству всего сплава в точке 2, когдакристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 — l, аСостав кристаллов — по кривой s— 2, и в момент окончания кристаллизацииСостав кристаллов такой же, как и Состав исходной жидкости.
13 Вопрос: Диаграмма состояния железо-цементит
Диаграмма состояния железо — цементит представлена в упрощенном виде на рис. 14. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода).
В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит).
Жидкий сплав (Ж. С.) существует выше линии ликвидус ACD. Цементит Fe3C (Ц) — вертикальная линия DEKL. Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (А) — AESG.
На диаграмме точка А (1539°С) соответствует температуре плавления железа, а точка D (1600°С) — температуре плавления цементита. Точка С (911°С) — температура полиморфного превращения железа α ↔ γ
Точка С соответствует предельному содержанию углерода в аустените (2,14 % при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ES. В точке S она составляет 0,8 % при 727°С.
Точка Р — предельное содержание углерода в феррите 0,02 % при 727°С. При охлаждении до комнатной температуры растворимость углерода в феррите уменьшается по линии PQ до 0,005 %.
При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики (механической смеси двух фаз аустенита и цементита). При этом образуется структура ледебурита. Точка С на диаграмме — точка эвтектики, линия ECF — линия кристаллизации эвтектики.
При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % углерода, распадается на две фазы — цементит и феррит, т. е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S — точка эвтектоида, линия PSK — линия эвтектоидного превращения.
Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.
Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затвердевания сплавы имеют однофазную структуру — аустенит.
При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % С, из жидкой фазы при температурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3 % С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердения доэвтектические сплавы состоят из аустенита и ледебурита.
В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С, с понижением температуры до линии ликвидус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.
Эвтектический сплав (4,3 % С) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтектики — ледебурита (А + Fe3C).
После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с изменением растворимости углерода в аустените и в феррите с понижением температуры.
Сплавы, содержащие до 0,02 % С (точка Р), испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение γ ↔ α между линиями GOS и GP. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).
Сплавы, содержащие 0,02—0,8 % С, называют доэвтектоидными. Эти стали после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начинают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.
В эвтектоидном сплаве (0,8 % С) при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит. При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от 0,8 до 2,14 % С) до температур, соответствующих линии SE, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.
В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структура доэвтектических сплавов после окончательного охлаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
Эвтектический сплав (4,3 % С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).
Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
При температурах ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют различную структуру, но фазовый состав их одинаков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.