Тема 1.2. Формирование структуры литых материалов

Студент должен:

знать: сущность процессов кристаллизации металлов и сплавов;

особенности строения слитков; сущность процесса получения монокристаллов; свойства аморфных материалов.

Кристаллизация металлов и сплавов. Форма кристаллов и строение слитков. Получение монокристаллов. Аморфное состояние материалов.

Литература: 3, с. 10...24; 4, с. 11...17; 7, с. 49...53.

Методические указания

Разберите сущность процесса кристаллизации, выпишите в конспект определения критической точки и аллотропического превращения в металлах. Вычертите кривую охлаждения чистого железа, укажите на ней критические точки и запишите, какое превращение происходит в каждой критической точке. Запомните, что называется степенью переохлаждения и как влияет скорость охлаждения на степень переохлаждения, на размер получающихся зерен.

Вопросы для самоконтроля

1. Как происходит кристаллизация чистых металлов?

2. Почему внешняя форма у кристаллов неправильная?

3. Перечислите аллотропические превращения железа.

4. Как определяются критические точки металлов и сплавов?

Тема 1.3 Диаграммы состояния металлов и сплавов

Студент должен:

знать: классификацию сплавов и основные определения; диаграммы

состояния сплавов; понятие о ликвации; диаграмму состояния Fe-Fe₃C (железо-цементит), ее критические точки; классификацию железоуглеродистых сталей и ставов.

Понятие о сплавах. Классификация и структура металлов и сплавов. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей.

Литература: 1, с. 29...38, 80...91; 2, с. 51...65, 118...131.

Методические указания

Перед тем как приступить к изучению диаграмм состояния, повторите термический анализ, построение кривых нагрева и охлаждения, так как диаграммы строят на основании опытных данных. Критические точки, то есть температуры, при которых происходят превращения в каждом сплаве, соединяют и получают критические линии, каждая точка которых показывает, при какой температуре происходит данное превращение в сплавах данной концентрации. Выпишите в конспект, что называется компонентом, фазой, системой, сплавом, а также, что может быть фазой. Запомните, что сплав- это сложное тело.

Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, образующиеся после каждого превращения. В конспекте нужно указывать структуры в каждой области диаграммы и записывать, что они собой представляют.

Разбирая диаграмму состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии не растворяются друг в друге (свинец-сурьма, олово-цинк), нужно прежде всего четко разобрать, что собой представляет эвтектика. Она образуется в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь двух фаз. Так как обе фазы кристаллизуются одновременно, при одной и той же температуре, отдельные кристаллы не успевают вырастило значительных размеров и кристаллы обеих фаз представляют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплавов не зависит, и на диаграмме образование эвтектики характеризуется горизонтальной линией. Из правила отрезков (правила рычага) видно, что состав жидкого сплава при температуре окончательного затвердевания всегда одинаковый, значит, и состав эвтектики во всех сплавах один и тот же, количество же эвтектики в разных сплавах разное и также определяется по правилу отрезков. Запомните, какие сплавы называются эвтектическими, до- и заэвтектическими.

Перед изучением диаграммы состояния сплавов, обладающих неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, разберите и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут быть в сплавах. Нужно запомнить, что твердые растворы - это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой одинаковые кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличии от сплавов с эвтектикой температура и начала, и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур. Поскольку вещества обладают неограниченной растворимостью, то ни в одном сплаве не будет кристаллов свободных компонентов, а все сплавы данной системы будут однофазными, и представлять собой твердый раствор. Разберите явление ликвации внутрикристаллической (дендритной), меры ее предупреждения и устранения.

Подавляющее большинство металлов обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, причем предел растворения уменьшается с уменьшением температуры (сплавы свинец-олово, медь-серебро, алюминий-соединение CuAl₁,).

В этих случаях эвтектика появляется только в тех сплавах, в которых концентрация растворимого компонента выше предела растворения. Разбирая эту диаграмму, особое внимание обратите на процессы, протекающие в твердом состоянии. В сплавах, у которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворения, после окончательного затвердевания структура представляет собой однородный твердый раствор. Уже в твердом состоянии в связи с уменьшением предела растворения при понижении температуры из твердого раствора начинает выделяться избыточная фаза. Например, в сплавах свинец-олово, содержащих менее 7% свинца, в сплавах алюминий-медь CuAl₂ содержащих менее 5,67% меди при охлаждении ниже кривой растворимости начинает образовываться вторая фаза и при комнатной температуре сплавы получаются двухфазными. Запомните, что процессы кристаллизации из твердого состояния происходят по тем же законам, что и из жидкого, то есть путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста, поэтому для образования второй фазы охлаждение должно быть медленное. Следует иметь в виду, что продукты вторичной кристаллизации всегда мельче, чем первичной. Запишите, что у сплавов, у которых есть превращение в твердом состоянии, можно менять структуру, а значит, и свойства путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, то есть путем термической обработки,

Изучая систему сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (магний-кальций, цинк-магний), запомните, что можно рассматривать как состоящие из двух самостоятельных диаграмм, у которых вторым компонентом является химическое соединение. Эту диаграмму можно рассматривать в общем виде.

Физические, механические и технологические свойства сплавов зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграммами состояния сплавов и его свойствами, установленную Н. С. Курнаковым и

А. А. Бочваром (диаграммы состав-свойства). Зная эту зависимость, можно на научной основе разрабатывать новые материалы и выбирать способы изготовления изделий из разных сплавов.

Приступать к изучению диаграммы состояния железо-углерод можно только после того, как разработаны простые (двойные) диаграммы состояния. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Нужно как следует разобрать все превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и получающиеся при этом структуры, особое внимание обращая на превращения в твердом состоянии.

В конспекте вычертите прежде всего диаграмму состояния железо-цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содержание углерода.

Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит в связи с аллотропическим превращением гамма-железа в альфа-железо. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (согласно правилу отрезков). Критические точки, образующие линию GS, принято обозначать при нагреве Ас₃, а при охлаждении Ar₃ По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит в связи с уменьшением растворимости углерода в гамма-железе при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать А_cm. По линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь - эвтектоид, так же как в равновесном состоянии гамма-железо при температуре ниже 727°С существовать не может, а альфа-железо практически углерод не растворяет (точка Р). Критические точки, образующие линию PSK, при нагреве обозначают Ас₁, а при охлаждении Ar₁ Отметьте в конспекте, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES), зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727°С).

Нужно знать, что в простых железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727°С аустенит существовать не может, он распадается на перлит. Запомните равновесные структуры железоуглеродистых сплавов: аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит. Запишите в конспекте, что они собой представляют. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое - мелкая механическая смесь, но эвтектика - продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид - продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагреве и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Выберите любой сплав и на диаграмме через точку, соответствующую выбранному сплаву, проведите вертикаль в пределах выбранных температур. Затем укажите, что происходит в каждой критической точке данного сплава. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.

Изучая чугунную часть диаграммы, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых, и у серых чугунов, отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах графит имеет форму пластинок, металлическая основа может быть перлитной или ферритной.

Отвечая на вопросы контрольной работы по диаграмме железо-углерод, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех се областях. Проведите вертикаль, отвечающую заданному сплаву, рядом с диаграммой вычертите кривую охлаждения данного сплава, укажите на ней температуры, соответствующие каждой критической точке, и опишите структурные превращения в каждой критической точке. Описывать нужно только те превращения, которые происходят в заданном сплаве.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните принцип построения диаграмм состояния.

2. В каких сплавах образуется эвтектика и что она собой представляет?

3. Нарисуйте кривую охлаждения сплава, содержащего 5% свинца и 95% сурьмы (или 5% олова и 95% цинка).

4. Что называется твердым раствором? Какие твердые растворы могут быть в сплавах?

5. Почему в сплавах с ограниченной растворимостью происходят превращения в твердом состоянии?

6. Пользуясь диаграммой свинец - олово (или медь - серебро, или медь - алюминий), укажите в каких сплавах можно изменить структуру при комнатной температуре путем изменения скорости охлаждения.

7. Что называется ликвацией? Какие виды ликвации могут быть в сплавах?

8. Какое практическое значение имеют диаграммы состав-свойства?

9. Пользуясь диаграммой железо-цементит, постройте кривую охлаждения сплава, содержащего 1,3% углерода, и укажите превращения, протекающие в. сплаве при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры.

10. Какая сталь называется эвтектоидной, до - и заэвтектоидной?

11. Пользуясь диаграммой железо - цементит, укажите структуру стали, содержащей 0,5% углерода, при 1000,800 и 650°С.

12. Какая разница между эвтектикой и эвтектоидом? Из каких фаз они состоят в железоуглеродистых сплавах?

13. Какие структуры называются аустенит, феррит, перлит, цементит и ледебурит?

14. Сколько углерода растворяется в аустените и феррите при 727°С?

15. Какие превращения происходят в белом чугуне, содержащем 3,0% углерода, при медленном охлаждении от 1500°С до 20°С?

16. Почему в железоуглеродистых сплавах присходят превращения в твердом состоянии?