2851

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные полиморфные модификации компонентов образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью, а низкотемпературные имеют ограниченную растворимость

творимостью компонентов, то есть это твердый раствор компонента В в компоненте А в β-модификации и наоборот, твердый раствор компонента А в компоненте В в β-модификации в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя; α-твердый раствор – это твердый раствор компонета В в компоненте А в α-модификации; α′-

41

твердый раствор – это твердый раствор компонета А в компоненте В в α-модификации.

Верхняя часть диаграммы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии уже была рассмотрена ранее поэтому остановимся на нижней части диаграммы, а именно на превращениях β-твердого раствора.

Линии: асв – линия начала распада β-твердого раствора или линия начала полиморфного превращения; аdсев – линия конца распада β-твердого раствора или линия окончания полиморфного превращения; асе – линия эвтектоидного превращения; df – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А в α-модификации или линия предельной концентрации α-твердого раствора; ek – линия предельной растворимости компонента А в компоненте В в α-модификации или линия предельной концентрации α′-твердого раствора.

Если сравнить диаграмму состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику (рис. 2.4) с диаграммой, представленной на рис. 2.7, то они внешне практически полностью идентичны друг другу. Мало того, и суть превращений происходящих на этих диаграммах также одинакова, за исключением того, что на диаграмме, показанной на рис. 2.4, превращения происходят из жидкости, а на диаграмме, показанной на рис. 2.7 из твердого состояния. По этой причине данная диаграмма на будет рассматриваться подробно.

Остановимся на линии асе и новой области, выделенной пунктиром и заштрихованной в′са′.

На линии асе происходит эвтектоидное превращение в соответствии с реакцией:

Эвтектоид

Продуктом превращения является эвтектоид – двухфазная механическая смесь кристаллов α- и α′-твердых растворов.

Область в′са′ - это область квазиэвтектоида. Квазиэвтектоид – эвтектоид, образующийся в до- и заэв-

тектоидных сплавах, по химическому составу близких к эвтек-

42

тоидной точке в условиях переохлаждения, когда кристаллы, выделение которых предшествует эвтектоидной реакции, не обособляются в самостоятельную, структурную составляющую. Квазиэвтектоид имеет пластинчатое строение, тем более тонкое, чем больше степень переохлаждения.

Если распад твердого раствора происходит в условиях больших степеней переохлаждения, то с повышением степени переохлаждения уменьшается количество избыточных фаз α и α′ и увеличивается количество эвтектоида отличающегося по составу от точки с рис. 2.7.

1.2.7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение, ограниченные твердые растворы и эвтектику

Данная диаграмма показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Диаграмма состояния сплавов компоненты, которых образуют химическое соединение, ограниченные твердые растворы и эвтектику

43

Не трудно видеть, что диаграмма распадается на две части, полностью аналогичные друг другу (от точки а до точки е и от точки е до точки в). Каждая из двух частей может быть рассмотрена как отдельная диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой. Подобного рода диаграммы были рассмотрены в разделе 1.2.3.

Область lpep′m – это область гомогенности химического соединения АnВm. В этой области существует химическое соединение АnВm состав, которого, как видно из рис. 2.8, может несколько отличаться от стехиометрического.

1.3. Диаграммы Курнакова Механические и физические свойства сплавов сильно за-

висят от их фазового состава, который может быть определен в условиях равновесия по диаграмме состояния. Для систем с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии твердость, удельное электросопротивление, коэрцитивная сила и ряд других свойств всегда выше, чем для исходных компонентов, образующих сплав. Например, при растворении в железе до 2% кремния и марганца его прочность повышается в два раза при снижении пластичности на 10%; растворение 5% алюминия в меди также в два раза повышает прочность последней без снижения пластичности; растворение в железе до 30% никеля понижает точку Кюри до комнатных температур, а 13% хрома делает сталь нержавеющей.

Связь между диаграммами состояний и диаграммами свойств (диаграммами Курнакова) представлена на рис. 2.9. Сплавы на базе твердых растворов лучше обрабатываются давлением, чем резанием. Литейные свойства твердых растворов низкие. Наилучшей жидкотекучестью и низкой склонностью к усадке обладают эвтектические сплавы. Механические свойства (твердость, прочность) и электросопротивление электрических сплавов занимают промежуточное положение между аналогичными свойствами чистых компонентов и фаз, образующих механическую смесь, но такие сплавы плохо обрабатываются давлением. Такие фазы, как карбиды, нитриды, бо-

44

Рис. 2.9 Диаграммы состояния состав-свойство (диаграммы Курнакова)

45

риды, оксиды, металлические соединения имеют, в общем случае, свойства, резко отличающиеся от свойств компонентов, их образующих, и, как правило, обладают высокими твердостью, хрупкостью, износостойкостью и температурами плавления. Их присутствие в структуре сплава повышает твердость и электросопротивление, снижая магнитную проницаемость и пластичность. Связь структуры сплава с его свойствами определяет важность знания строения сплава и умения управлять фазовым составом.

1.4. Описание лабораторной установки термического анализа

Лабораторная установка для снятия кривых охлаждение сплавов включает элементы, указанные на рис. 2.10. Навески сплавов различного состава (количество их определяется ожидаемой (прогнозируемой) степенью сложности диаграммы) помещаются в тигли 2, устанавливаемые в печь 1 для перевода навесок в жидкое состояние 3. Горячие спаи 4 термопар 5 помещаются в расплавы, а холодные 6 присоединены ко входу многоточечного самопишущего потенциометра 7, который записывает кривые охлаждения.

Процесс построения диаграмм состояния по критическим точкам кривых охлаждения представлен на рис. 2.1. Рассмотрим применение правила фаз Гиббса при построении и анализе кривых охлаждения. Если С = 1 система моновариантная. Это означает, что данное превращение осуществляется в диапазоне температур в двухфазной области, причѐм число фаз в сплаве (системе) не изменится при изменении температуры в этом диапазоне. Если С = 0 – система нонвариантная или безвариантная, это означает трѐхфазфазное равновесие при постоянной температуре, и здесь нельзя изменить температуру, не изменив числа фаз в системе. Трѐхфазным состояниям сплава на кривой охлаждения соответствуют остановки изменения температуры во времени, то есть появляются площадки. Если С > 1 – система многовариантная.

При анализе различных диаграмм состояния необходимо

46

Рис. 2.10. Блок-схема установки для термического анализа сплавов

использовать правило фаз Гиббса. Причѐм конкретные реальные диаграммы состояния двойных, тройных и других сплавов анализируются по признакам типовых диаграмм.

2. Задание

1. Ознакомьтесь с устройством и работой оборудования и приборов для построения кривых охлаждения сплавов.

2.Приготовьте навески сплавов системы Zn – Sn, получите их расплавы и постройте кривые охлаждения.

3.Объясните все превращения в исследуемых сплавах

при охлаждении и нагреве.

4.По кривым охлаждения сплавов (по критическим точкам) постройте диаграмму состояния системы Zn – Sn.

5.Пользуясь правилом фаз Гиббса, постройте в координатах температура – время кривые охлаждения для выбранно-

47

го вами сплава на диаграмме железо-цементит.

6. По заданной температуре в двухфазной области найдите химический состав и массу сосуществующих фаз.

7. Составьте отчет.

3. Содержание отчета

1.Краткое описание оборудования и назначения термического анализа.

2.Описание особенностей процесса кристаллизации чистых металлов и сплавов.

3.Понятие о кривых охлаждения и диаграммах состояния сплавов.

4.Экспериментальные кривые охлаждения и их объясне-

ние.

5.Экспериментальные диаграммы состояния и их анализ.

6.Выводы.

4. Контрольные вопросы

1.Определение диаграммы состояния сплавов.

2.Компонент, фаза, число степеней свободы, термодинамическая система.

3.Правило фаз Гиббса.

4.Нонвариантные, моновариантные и многовариантные системы.

5.Поясните известные вам типы диаграмм состояния

двойных сплавов.

6.Что позволяет определить диаграмма состояния?

7.Коноды.

8. Правило рычагов (отрезков).

9. Диаграммы Курнакова.

10. Что означают «критические точки на кривых охлаждения»?

48

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД

Цель работы: ознакомление с диаграммой состояния системы железо-углерод; ее анализ; классификация железоуглеродистых сплавов.

Оборудование и материалы: диаграмма железо-углерод, атлас макро- и микроструктур.

1. Теоретическое введение

1.1. Диаграмма состояния железо-углерод

Сплавы на основе железа и углерода – стали, и чугуны широко используются для создания конструкционных материалов в различных отраслях промышленности. Несмотря на бурное развитие технологии создания различного рода материалов роль железоуглеродистых сплавов по-прежнему остается исключительно важной. По этой причине именно сплавам системы железо-углерод уделяется достаточно большое внимание в процессе изучения предмета «материаловедение».

Железо – металл серебристого цвета. Температура плавления 1539 ºС. Атомный радиус 1,27 Å. Железо существует в трех полиморфных модификациях: α-железо с ОЦК решеткой стабильно при температурах ниже 911 ºС; δ-железо с ОЦК решеткой стабильно при температурах от 1392 ºС до 1539 ºС (температура плавления железа); γ-железо с ГЦК решеткой стабильно в интервале температур 911-1392 ºС.

Углерод – неметалл. Температура плавления 3500 ºС. Атомный радиус 0,77 Å. Углерод полиморфен. Стабильная модификация – графит. Метастабильная модификация – алмаз. Растворим в железе в твердом и жидком состоянии. Образует с железом химическое соединение – цементит Fe3C (6,67% С).

49

Диаграмма состояния железо-углерод показана на рисунке. В зависимости от состояния, в котором находится углерод возможно существование двух диаграмм состояния рассматриваемой системы. В реальных условиях охлаждения сплавов системы железо-углерод углерод выделяется в в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. Диаграмма железо-цементит называется метастабильной. В условиях медленного охлаждения и в присутствии графитизаторов углерод выделяется в виде графита. Диаграмма железо-графит называется стабильной.

В системе железо-углерод в определенных областях диаграммы стабильно существуют следующие фазы: жидкость; α- (δ)-феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе; аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе; цементит – Fe3С – химическое соединение; графит.

Характерными точками на диаграмме Fe–Fe3С являются: А (1539 ºС) – температура плавления железа; D (1550 ºС) – температура плавления цементита; N (13920С) и G (911 ºC) – температуры полиморфного превращения.

Для других характерных точек диаграммы необходимо знать и температуру, и концентрацию углерода:

В – концентрация углерода (0,51 %) в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом в процессе перитектического превращения (1499 ºС);

H – (0,1 % С) – предельная концентрация углерода в - феррите (1499 ºС);

J – (0,16 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при 1499 ºС (перитектика);

Е – (2.14 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при температуре эвтектического превращения (1147 ºС);

S – (0,8 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при температуре эвтектоидного превращения (727 ºС); С – (4.3 % С) – предельная концентрация углерода в

жидкой фазе при эвтектической температуре (1147 ºС);

Р– (0,025 % С) – предельная концентрация углерода в α

–феррите при эвтектоидной температуре (727 ºС);

50