Основы теории сплавов

Краткие теоретические сведения

Сплав – это термодинамическая система, полученная сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Компонентами называют различные вещества, наименьшее число которых, достаточно для образования всех фаз системы. Фазой называется однородная часть системы, отделенная от остальных ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно. Числом степеней свободы называется число параметров (температура, концентрация), которые можно произвольно менять без изменения числа фаз системы, находящихся в равновесии. Соотношение между числом компонентов (К), числом степеней свободы (С) и числом фаз (Ф) в термодинамике определяется правилом фаз Гиббса

С = К – Ф + 1. (1)

Диаграммой стояния называют графическое изображение равновесных состояний вещества при различных значениях параметров, определяющих эти состояния: температуры и концентрации.

Для обозначения состава сплава используют массовые и атомные доли в процентах.

Диаграммы состояния показывают в условиях равновесия фазовый состав сплава в зависимости от температуры и кон­центрации и позволяют качественно характеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства сплавов.

Анализ диаграмм состояния позволяет решать важные инженерные задачи; на основании диаграмм возможно опреде­лить, какие именно сплавы и в каком направлении изменяют свою структуру и многие свойства при переходе к неравновесному состоянию, зависящему от реальных условий литья, обработки давлением и специально выполняемой термической обработки.

Построение кривых охлаждения

Важным элементом анализа диаграммы (рис.4.1) является построение кривых охлаждения.

Температурные остановки на этих кривых означают, что превращение идет при постоянной температуре, а наклонные участки, ограниченные перегибами, что превращение идет в интервале температур (вогнутые наклонные участки показывают, что происходит охлаждение фазы или фаз). Кривые охлаждения можно построить, пользуясь правилом фаз (1).

Если С равно нулю, то превращение протекает при постоянной температуре.

Если С равно 1, то превращение протекает в интервале температур.

Если С равно 2, то в равновесии находится одна фаза, которая охлаждается (нагревается).

На рис.4.2 представлена кривая охлаждения сплава Fe – 2,7 %C. Этот сплав состоит из двух компонентов (К = 2).

Описание фазовых превращений

До температуры, соответствующей точке 1.1 (от точки 1 до точки 1.1), идет охлаждение жидкой фазы, при этом состав и количество фаз не меняется. Число степеней свободы С = К – Ф +1 = 2 –1 +1 =2. Это означает, что в известных пределах (не выходя из однофазной области) можно изменять два параметра – температуру и состав фазы. При температуре соответствующей точке 1.1 начинается процесс кристаллизации жидкой фазы с образованием кристаллов аустенита состава точки 1.5. При дальнейшем охлаждении до температуры точки 1.2 продолжается процесс кристаллизации аустенита, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус 1.1 – С, а

Рис. 4.2. Кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,5 % С

состав аустенита – по линии солидус 1.5 – Е. Процесс кристаллизации сопровождается выделением тепла, что замедляет ох-лаждение, и на кривой охлаждения будет перегиб (т. 1.1). Кристаллизация жидкой фазы идет не при постоянной температу-ре, а в интервале температур, так как С = 2 – 2 + 1 = 1.

При температуре точки 1.2 из жидкой фазы, состава точки С, будет одновременно кристаллизоваться две твердые фазы – аустенит (А) и цементит (Ц) – по эвтектической реакции:

Ж_С → А_Е + Ц. (2)

В равновесии при эвтектической реакции всегда находится три фазы: жидкая состава точки С и две твердые – аустенит состава точки Е и цементит, которые образуют эвтектику – ледебурит. Число степеней свободы С = 2 – 3 + 1 = 0, поэтому данное превращение должно идти при постоянной температуре и на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка 1.2 – 1.2.

При охлаждении от температуры точки 1.2 до температуры точки 1.2 из-за уменьшения растворимости углерода в аустените из него выделяется избыточный цементит, и состав аустенита при этом меняется по линии ES. Этот процесс сопровождается выделением небольшого количества теплоты, поэтому участок 1.2 – 1.3 кривой охлаждения не так выгнут, как участок 1.1 – 1.2. Выделение цементита из аустенита происходит в интервале температур, поскольку С = 2 – 2 + 1 = 1. При температуре точки 1.3 протекает эвтектоидная реакция:

A_S → Ф_Р + Ц. (3)

В равновесии при эвтектоидной реакции находятся три фазы: аустенит состава точки S, феррит состава точки Р и цементит. Смесь феррита и цементита образует эвтектоид – перлит. Число степеней свободы С = 2 – 3 + 1 = 0, поэтому данное превращение должно идти при постоянной температуре и на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка 1.3 – 1.3.

Ниже температуры, соответствующей точке 1.3 в равновесии находятся две фазы – феррит и цементит. В интервале температур 1.3 – 1.4 идет превращение, связанное с изменением растворимости компонентов друг в друге. Ход линий PQ и KL показывает, что растворимость углерода в железе уменьшается с понижением температуры (PQ), а растворимость железа в цементите не изменяется (KL), вследствие этого при охлаждении из феррита будет выделяться избыточный цементит. На кривой охлаждения этому превращению будет соответствовать участок 1.3 – 1.4. Число степеней свободы С = 2 – 2 +1 = 1.

Определение состава и количества фаз

Для определения состава и количества фаз надо воспользоваться правилом отрезков. При этом важно помнить:

- правило отрезков применяется только в двухфазной области диаграммы состояния;

- чтобы определить состав фаз в заданном сплаве при заданной температуре, нужно через точку, характеризующую состояние сплава, провести горизонтальную линию (коноду) до границ двухфазной области. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз, а отношения обратных отрезков позволяют определить количества той или иной фазы по отношению к общему весу сплава.

В качестве примера определим состав и количество фаз в заданном сплаве (Fe +2,7%C) при температуре 1230 ^°С. При этой температуре в данном сплаве в равновесии находятся две фазы – жидкий раствор и аустенит. Через точку 1.7, соответствующую температуре 1230 ^°С, необходимо провести горизонтальную линию 1.6 – 1.8 (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область (линиями ликвидус и солидус). Точка пересечения коноды с линией ликвидус (точка 1.8), спроектированная на ось концентраций, покажет состав (содержание каждого из компонентов) жидкой фазы при температуре 1230 ⁰С, а именно – 3,7 % С, 96,3 % Fe. Проекция точки пересечения коноды с линией солидус (точка 1.6) будет характеризовать состав аустенита – 1,6 % С, 98,4 % Fe.

По правилу отрезков количество каждой из двух фаз в конкретном сплаве пропорционально противолежащим данной фазе отрезкам. В нашем случае количество жидкой фазы

Ж = ·100% = ·100% = 52,4%. (4)

А количество аустенита

А = ·100% = ·100% = 47,6%. (5)

Структура сплавов

Для определения микроструктуры сплава необходимо записать все фазовые превращения, происходящие в сплаве в условиях медленного охлаждения, и проанализировать какие из них приводят к образованию самостоятельных структурных составляющих (вторичные выделения, эвтектика).

Схемы типичных структур сплавов приведены на рис.4.3.

а	б	в
г	д	е

Рис.4.3. Схемы типичных структур сплавов: а - однофазный сплав; б – сплав, содержащий первичные кристаллы и вторичные выделения ; в – эвтектический сплав; г – сплав, содержащий эвтектику и первичные кристаллы; д – сплав, содержащий эвтектику, первичные кристаллы и вторичные выделения; е – сплав, в котором перитектическое превращение идет с избытком твердой фазы

Вопросы и задачи по теме

1. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, образуется три твердых раствора?

а	б	в	г
д	е	ж	з

Рис. 4.4. Схемы типичных двойных диаграмм состояния

2. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, компоненты образуют химические соединения?

3. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, есть эвтектоидное равновесие?

4. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, есть перетектическое равновесие?

5. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, есть компоненты, имеющие полиморфные превращения?

6. В каких двойных системах, диаграммы которых показаны на рис. 4.4, есть неограниченные твердые растворы?

7. Пользуясь рис. 4.5 б, определите, из каких фаз состоит сплав, содержащий 20 % компонента В при 200 ^°С.

8. Пользуясь рис. 4.5 б, определите, какую структуру имеет сплав, содержащий 20 % компонента В при 0 ^°С.

9. Пользуясь рис. 4.5 а, определите, из каких фаз состоит сплав, содержащий 50 % компонента В при 600 ^°С.

10. Пользуясь рис. 4.5 б, определите, из каких фаз состоит сплав, содержащий 80 % компонента В при 200 ^°С.

11. Пользуясь рис. 4.5 б, определите, из каких фаз состоит сплав, содержащий 40 % компонента В при 450 ^°С.

12. Пользуясь рис. 4.5 а, определите, из каких фаз состоит сплав, содержащий 80 % компонента В при 400 ^°С.

13. Пользуясь рис. 4.5 б, определите количество жидкой фазы в сплаве, содержащем 10 % элемента В при температуре 500 ^°С.

14. Пользуясь рис. 4.5 б, определите количество жидкой фазы в сплаве, содержащем 60 % элемента В при температуре 500 ^°С.

15. Пользуясь рис. 4.5 а, определите химический состав жидкой фазы в сплаве, содержащем 80 % элемента А при температуре 700 ^°С.

16. Пользуясь рис. 4.5 а, определите химический состав твердой фазы в сплаве, содержащем 20 % элемента А при температуре 800 ^°С.

17. Пользуясь рис. 4.5 а, определите максимальное содержание элемента В в -фазе.

18. Пользуясь рис. 4.5 а и 4.3, определите, какой тип структуры будет иметь сплав, содержащий 40 % элемента В при температуре 450 ^°С.

19. Пользуясь рис. 4.5 б и 4.3, определите, какой тип структуры будет иметь сплав, содержащий 70-75 % элемента В при комнатной температуре.

20. Пользуясь рис. 4.5 б и 4.3, определите, какой тип структуры будет иметь сплав, содержащий 20 % элемента В при комнатной температуре.

21. Пользуясь рис. 4.5 б и 4.3, определите, какой тип структуры будет иметь сплав, содержащий 5 % элемента В при комнатной температуре.

Рис. 4.5. Диаграммы состояния сплавов с эвтектикой и перитектикой

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5