Лабораторна робота № 7

Фазові перетворення у твердому стані

Мета роботи: Ознайомитись з фазовими перетвореннями у твердому стані, вивчити структурні зміни, що відбуваються під час фазових перетворень, вивчити залежність властивостей від фазових перетворень.

Обладнання, прилади, матеріали: мікроскопи металографічні, набори зразків, фотографії мікроструктур.

Загальні відомості

Класифікація перетворень у твердому стані

Головне завдання процесів виливки й пластичної деформації - одержання металевих виробів бажаної форми. При цьому можливо деяке регулювання структури, а отже, і властивостей. Однак більшість конструкційних сплавів розроблялося з розрахунком на зміну структури виробу в кінцевій формі, тобто за допомогою фазових перетворень. Звичайно це досягається в кілька послідовних стадій. Перша стадія полягає у витримуванні сплаву при підвищеній температурі протягом часу, достатнього для практично повного встановлення рівноваги. При зниженні температури існуючі фази перестають бути рівноважними, і це приводить до фазового перетворення. Необхідні структури одержують найчастіше в умовах, коли процес наближення до нових рівноважних умов повністю не закінчується. Відповідні технологічні операції звуться «термічна обробка». Цей термін охоплює також і процеси відпалу.

Існує багато металевих систем, у яких зміна температури приводить до зміни відносних вільних енергій можливих фаз. У результаті цього рівновага може зберігатися при зміні температури тільки шляхом часткової або повної заміни існуючих фаз новими. Такі процеси перебудови атомів і звуться фазовими перетвореннями. Вони не тільки оборотні, як зазначено вище, але якщо рівновага не встигає відновитися в процесі швидкої зміни температури, то система зберігає прагнення до наступного встановлення рівноваги. Нова фаза, що утвориться при такому перетворенні, не є рівноважною, виникнення якої повинне знижувати вільну енергію всієї системи; однак критерієм того, яка фаза з декількох можливих виникає в дійсності, служить швидкість зародження й наступного росту фази. Це більше важливі фактори, чим зниження вільної енергії системи. Тому можуть відбуватися конкуруючі перетворення. Їхні відносні долі визначають конкретні режими термічної обробки.

Існує кілька різних типів фазових перетворень. Їх можна класифікувати по числу фаз, що утворяться знову, а також по тому, чи будуть ці нові фази відрізнятися від вихідної по своєму складу. Варто розрізняти такі типи перетворень:

1. Вихідна фаза перетворюється в нову без зміни складу; це називають бездифузійним або мартенситним перетворенням.

2. Нова фаза відрізняється по складу й структурі від вихідної, остання ж продовжує існувати, хоча й у трохи зміненому складу. До таких реакцій відносяться старіння після евтектоїдного перетворення й реакція дисперсійного твердіння.

3. Фаза перетворюється у дві нові, кожна з яких - по складу відрізняється від вихідної. Сюди відносяться евтектоїдне перетворення (при охолодженні) і перитектоїдне перетворення (при нагріванні). В обох випадках нові фази відрізняються від вихідної й за структурою, і по складу. До цього ж типу перетворень відносяться такі перетворення, коли дві нові фази відрізняються по складу, але мають структуру вихідної фази.

4. Відбувається впорядкування структури шляхом перерозподілу атомів без якої-небудь зміни кристалічної системи в цілому.

5. Тверде тіло й газ взаємодіють із утворенням нової фази або зі зміною складу твердої фази.

Звичайно більше уваги приділяють перетворенням, що відбуваються при охолодженні сплаву. Справа в тому, що більшість сплавів використовують при температурах значно нижче тих, при яких реакції йдуть зі значними швидкостями; і, отже, структурний стан цих сплавів є результатом перетворень, пов'язаних зі зниженням температур. Властивості сплаву залежать від природи й структури присутніх фаз, їхньої форми, розмірів, розподілу й взаємодії, обумовленої наявністю міжфазових границь. Все це в значній мірі обумовлюється кінетикою зародження й росту нових фаз, а, отже, перетвореннями, які відбуваються при охолодженні. Варто помітити, однак, що ці перетворення у свою чергу залежать від конкретної структури вихідної фази або фаз, що утворилися в результаті перетворень при нагріванні. Тому перетворенням при нагріванні також .повинне бути приділена достатня увага. Крім того, існують важливі випадки, коли кінцевий результат досягається регулюванням витримки при більш високій температурі, за якою відбувається звичайна витримка при більш низькій температурі. Звідси виникає необхідність розглядати не тільки прямі, але й зворотні процеси.

Важливе розходження повинне бути зроблене між перетвореннями, при яких атоми переміщаються на відстані, не перевищуючі деякої долі міжатомної відстані, і перетвореннями, при яких атоми проходять у багато разів більші відстані. Перетворення останнього типу пов'язані з дифузійним переміщенням атомів усередині кристалічної решітки.