3.Сплавы:твердые растворы, механические смеси, химические соединения. Алгоритм расшифровки диаграмм состояния двойных сплавов. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов и их расшифровка.

Виды сплавов

Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях различают сплавы: смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Сплавы смеси образуют компоненты, которые в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют смесь кристаллов обоих компонентов, называемую эвтектикой. Изменение механических свойств сплавов смесей носит линейный характер и зависят от соотношения входящих в них компонентов и их свойств.

Твердыми растворами являются сплавы, компоненты которых растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. Сплав сохраняет кристаллическую решетку растворителя – компонента, которого больше. Механические свойства твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости и могут быть выше или ниже свойств образующих сплав компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В растворах замещения атомы растворимого элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки. Растворы замещения могут быть с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В твердых растворах внедрения атомы одного компонента внедряются в межузельное пространство другого.

Сплав ­ химическое соединение образуется при определенном соотношении атомов компонентов, например А_m В_n, где m и n ­ количество атомов компонентов А и В, образующих соединение (стехиометрические коэффициенты). Соединение имеет собственную кристаллическую решетку, отличную от решетки образовавших его элементов. Механические свойства сплава значительно отличаются от свойств каждого компонента.

Алгоритм расшифровки диаграмм состояния двойных сплавов.

1) сплавы выбираются так, чтобы каждую область диаграммы пересекала 1 линия сплавов;

2) расшифровку проводят только сверху вниз, в направлении охлаждения;

3) двигаемся сверху вниз, при пересечении линии сплавов с 1й сплошной диаграммы нужно из точки сечения провести горизонталь (коноду) внутрь области, в которой находится линия справов до пересечения с 1й сплошной линией-диаграммой. Проекция точки пересечения на ось концентрации укажет состав выпадающей твердой фазы.

4) при пересечении линии сплавов с горизонтальной линии спдавов проводят коноду, одновременно в обе стороны до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы. Проекция точки пересечения на ось концентрации указывает на состав механической смеси.

Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов и их расшифровка.

Диаграммой состояния I рода (типа) характерна для сплавов, компоненты которых образуют механические смеси, при незначительной взаимной растворимости (рисунок 13). Слева направо по оси абсцисс откладывается процентная доля компонента В в сплаве. Процентная доля компонента А увеличивается в противоположном направлении оси абсцисс. Часто ее не показывают, а подразумевают. По оси ординат откладывают значения температуры. Компоненты А и В для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворяются и не образуют химических соединений. Линия АCВ, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус. Линия DCE, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус. Между линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состояния в твердое.

Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектикой, или эвтектическим. Эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь компонентов в составе А и В. Процентное соотношение компонентов в составе сплава можно определить, опустив перпендикуляр из точки С на ось абсцисс. При охлаждении эвтектических сплавов оба компонента одновременно из жидкого состояния кристаллизируются в твердое.

Левее от эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее - заэвтектическими. У доэвтектических сплавов область AСD содержит жидкую фазу Ж и кристаллы компонента А. Заэвтектические сплавы в области СBE содержат жидкую фазу Ж и кристаллы компонента В. Ниже линии солидус в области DCB_э, доэвтектические сплавы в твердом состоянии содержат компонент А и эвтектику (А+В), заэвтектические в области CEB_э, компонент В и эвтектику (А+В).

Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы кристаллических решеток .Диаграмма содержит область жидкой фазы Ж, двухфазную область +Ж, область твердой фазы . Фаза представляет твердый раствор компонентов А и В, а зерна (кристаллиты) имеют общую кристаллическую решетку.

Диаграммы состояния III рода характерны для сплавов с ограниченной растворимостью .

Диаграмма состояния IV рода относится к сплавам, в которых компоненты сплавов образуют устойчивые химические соединения А_mB_n (рисунок 16). Эти соединения (интерметаллы) выступают в роли самостоятельного третьего компонента, способного образовывать сплавы с каждым из исходных компонентов.

4.Диаграммы состояния сплавов и возможности термической обработки : диффузионный отжиг, отжиг для измельчения зерна, закалка, отпуск, старение. Структуры, образование которых возможно при закалке. Условия, необходимые для их образования. Как изменяются механические характеристики закаленных сплавов при отпуске и старении.

Термической обработкой называют процесс обработки заготовок и изделий из металлов и сплавов исключительно тепловым воздействием с целью изменения их структуры и свойств. Целью любой термической обработки является получение заданных свойств. Основными факторами при термической обработке являются температура и время.

Различают несколько видов термической обработки.

1. Отжиг - нагрев сплава, выдержка для завершения диффузионных процессов с последующим медленным охлаждением. В зависимости от поставленных задач существуют следующие разновидности отжигов:

а) диффузионный отжиг проводят для сплавов - твёрдых растворов с целью устранения дендритной (реже зональной) ликвации. чуть ниже линии солидус. Длительная выдержка при столь высокой температуре приводит к выравниванию химического состава в пределах всего объёма материала, но и вызывает рост размера зерна (перегрев), что существенно снижает ударную вязкость материала;

б) перекристаллизационный отжиг (отжиг с целью измельчения зерна) назначают для сплавов с полиморфными превращениями. Нагрев при этом проводят до температур немного выше температуры конца полиморфных превращений. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала для завершения обратных фазовых превращений, в основе которых - диффузия. Обычно охлаждение производят с печью.

2. Закалка - нагрев сплава выше критических температур с последующим быстрым охлаждением с целью торможения протекания диффузионных процессов. Закалка возможна, если: а) сплав имеет полиморфные превращения (образуется мартенсит); б) имеется твёрдый раствор с переменной растворимостью (образуется пересыщенный твёрдый раствор).

Мартенситом называют особый вид структуры, образующийся при фазовом полиморфном превращении без диффузии путем группового сдвига атомов по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям на расстояние меньше периода решётки.

Для доэвтектоидных сталей назачают полную закалку (выше Ас3), для заэвтектоидных – неполную (до Ac1). Брак при закалке – перегрев выше 3 – происходит укрупнение зерна бета-раствора, мартенсит игольчатый.

3.Отпуск - термическая обработка сплава, закалённого на мартенсит.

В зависимости от условий эксплуатации и требуемых свойств применяют различные виды отпуска: низкий, средний, высокий (улучшенный).

Низкий отпуск состоит в нагреве закаленной стали до 120 - 250^оС. При этом твердость почти не снижается, но, благодаря выделению из мартенсита части углерода, хрупкость стали существенно уменьшается. Такому отпуску подвергаются инструменты. Кроме того, этот вид ТО уменьшает остаточные напряжения в изделии; повышает сопротивление хрупкому разрушению.

Средний отпуск (нагрев до 300 - 400^оС) повышает упругость стали. Такой отпуск проходят рессоры, пружины, торсионы.

При температуре 500 - 680^оС происходит высокий отпуск. Мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь, имеющую зернистое строение, - сорбит отпуска. Назначение этого вида ТО состоит в получении максимальной вязкости при сохранении относительно высоких значений пределов прочности, текучести и повышенного сопротивления хрупкому разрушению, а также для практически полного снятия остаточных напряжений.

Такому отпуску подвергаются детали машин, испытывающие в работе большие динамические и вибрационные нагрузки, так как сорбит отпуска обладает наиболее благоприятным комплексом механических свойств. Поэтому закалку с последующим высокотемпературным отпуском называют улучшением стали. Для сравнения в табл. 24 приведены значения механических свойств для хромистой стали (0,4 % углерода, 1 % хрома) в отожженном, нормализованном и улучшенном состояниях.

Старение - термическая обработка сплава, закалённого на пересыщенный твёрдый раствор.

Старение заключается в переходе сплава от неустойчивого к более устойчивому состоянию. Этот процесс протекает и без нагрева (естественное старение), но в этом случае он растягивается на значительный срок – иногда до нескольких лет. Гораздо интенсивнее протекают процессы старения при повышенных температурах. Принципиальных отличий в процессах, происходящих при отпуске и старении, нет. Для сталей термин старение и искусственное старение применяется обычно при обозначении нагрева после наклепа изделия и в тех случаях, когда небольшому нагреву подвергаются незакаленные детали. Старение закаленных цветных сплавов обычно приводит к значительному повышению их механических свойств. Некоторые сплавы алюминия (дуралюмин) имеют прочность после отжига 20 кГ/мм², после закалки 25 кГ/мм², а после старения 40 - 45 кГ/мм².Старением добиваются повышения прочности и твердости при снижении пластичности и вязкости (станины станков, основания мерительных приборов и т. д.).

5.Диаграмма железо-цементит. Обозначения линий диаграммы. Фазовые и структурные превращения на линиях диаграммы. Классификация сплавов по диаграмме железо-цементит. Принципы маркировки сплавов. Применение.

Диаграмма состояния сплавов железо-цементит.

Железо с углеродом образует химическое соединение: Fe3C – цементит, очень твердое, но хрупкое. Рассматривается лишь часть – до 6,67%С.

Технически чистое железо полиморфно, 4 крит точки: 1539 – кристаллизация и 3 перекристаллизации. Плотность упаковки Fey > чем Fea => превращение Fev > Fea происходит с увеличением объёма, возникновенииe внутренних структурных напряжений.

Феррит – тв. р-р внедрения углерода в альфа-железо. Макс. раств-ть С в альфа-железе 0,02%.

Аустенит – тв. р-р внедрения углерода в гамма-железе. Предельная раств-ть 2,14%

Цементит – хим. с-е железа и углерода FeзC. 6,67% С. Цементит имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

В сплавах железа и углерода существуют 2 высокоугл. фазы графит и менее устойч. – цементит.

AECF – солидус, PSK – линия эвтектоидного превращения, ECF – линия эвтектического превращения

Перлит – феррит + цементит

Ледебурит – эвтектика системы. Механическая смесь аустенита и цементита.

Классификация сплавов.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями. Сплавы с содержанием углерода свыше 2,14 % называют чугунами. По структуре стали делят на: 1) доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % С; 2) звтектоидные - 0,8 % С; 3) заэвтектоидные - от 0,8 до 2,14 % С.

По назначению различают: 1) конструкционные стали ( до 0,6 % С); 2) рессорно-пружинные (0,6-0,8 % С); 3) инструментальные (0,7 и более процентов углерода).

По содержанию углерода стали подразделяют: на малоуглеродистые (содержат до 0,25 % С); среднеуглеродистые (0,25-0,6 % С); высокоуглеродистые - свыше 0.6 % С.

Конструкционные стали разделяют на две группы по качеству (в соответствии с содержанием вредных примесей - серы и фосфора): а) сталь углеродистая обыкновенного качества: СтО, Ст[1/2/3/4/5]кп, Ст[1/2/3/4/5/6]пс, Ст[1/2/3/4/5/6]сп. Ст - "Сталь", цифры – усл номер марки в зав от химического состав (чем больше номер, тем больше в стали углерода и ниже пластичность), буквы кп/пс/сп - степень раскисления (кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная).

б) сталь углеродистая качественная конструкционная. Поставляют стали марок: сталь 05, 08, 10, 15, 20 - 55, 60.

Рессорно-пружинные стали следующих марок: сталь 65, 70, 75, 85. Цифры в маркировке означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Сталь инструментальную углеродистую поставляют двух групп по качеств: качественные марок У7, У8 - У13; высококачественные, более чистые но содержанию серы и фосфора, марок У7А, У8А - У13А. Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У - углеродистая, следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Чугуны – сплавы железа и углерода (от 2,14%). Чугуны содержат примеси Mn, Si, S, Чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Не подвергаются обработке давлением. С целью увеличения характеристик износостойкости и пластичности чугуны легируют Cr, Ni, Si, Μη, Mo, W, Ti, Al, Co и др.

Белый чугун применяют главным образом как передельный чугун (полуфабрикат). Белый чугун хорошо сопротивляется статическому сжатию, но очень хрупок.

Серые чугуны обладают высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка), имеют антифрикционные свойства. Но они плохо сопротивляются растяжению, ударным нагрузкам. Серые чугуны широко применяют для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Эти чугуны получают модифицированием – добавкой в жидкий чугун магния в количестве 0,02-0,08%. Благодаря шаровидной форме графита, высокопрочные чугуны имеют более высокие, чем серые, прочностные характеристики, обладают некоторой пластичностью и ударной вязкостью. Их применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей: прокатных валков, коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других деталей, работающих в условиях динамических нагрузок.

В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такие чугуны получают отжигом (длительным нагревом при температуре 950-1000С) белого чугуна. Ковкие чугуны, по сравнению с серыми, обладают большей прочностью и пластичностью. Из них изготавливают тонкостенные детали, работающие в условиях ударных и вибрационных нагрузок: ступицы, тормозные колодки.