Материаловедение и технология конструкционных материалов

и конца плавления (затвердевания) сплава; выяснить, будет ли сплав однородным, каковы его жидкотекучесть, пористость, а так­ же выбрать необходимые виды термической обработки сплава.

В процессе кристаллизации любого сплава состав и количест­ во каждой фазы изменяются: количество жидкой фазы умень­ шается, а твердой — увеличивается. Количество фаз и их состав в любой точке диаграммы можно определить с помощью следую­ щего правила отрезков. Для определения концентрации компо­ нентов в фазах через заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с ли­ ниями, ограничивающими данную область диаграммы. Точки пересечения указывают на фазы, находящиеся в равновесии, а проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы этих фаз. Массовые (объемные) доли твердой и жидкой фаз в сплаве обратно пропорциональны отрезкам линии между заданной точкой и точками, определяющими составы этих фаз.

В зависимости от характера образующихся в сплавах струк­ турных составляющих (механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие типы диаграмм состояния:

□с полной нерастворимостью компонентов в твердом со­ стоянии;

□с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии;

□с ограниченной растворимостью компонентов;

акомпоненты образуют химическое соединение.

2.6.1.Диаграмма состояния для сплавов, компоненты

которых нерастворимы в твердом состоянии (I рода)

Компоненты сплава А и В данной системы неограниченно растворимы в жидком состоянии (L) и нерастворимы в твердом, образуя механические смеси из чистых компонентов (пример такой диаграммы приведен на рис. 2.9, а). При охлаждении сплавов на ветви ликвидуса АС начинают выделяться кристал­ лы вещества А, а на ветви СВ — кристаллы В. На линии DCE из жидкости состава, соответствующего проекции точки С на ось кон­ центрации, одновременно выделяются кристаллы А и В в виде механической смеси.

На рис. 2.9, б приведены кривые охлаждения трех сплавов. Для сплавов II, IV на участке 0-1 идет охлаждение жидкого

сплава, на участке 1 -2 в сплаве II из жидкости выделяются кристаллы компонента А, а в сплаве IV — кристаллы компо­ нента В. На участке 2-2' у обоих сплавов совместно выделяются кристаллы А и Б, а на участке 2'-3 происходит охлаждение твер­ дого вещества.

В сплаве III на участке 0-2 происходит охлаждение жидкого сплава, на участке 2-2' совместно выделяются кристаллы А и В, на участке 2'-3 происходит охлаждение твердой фазы.

Схемы структур сплавов в разные моменты кристаллизации показаны на том же рисунке. В сплаве II из жидкости выделя­ ются кристаллы А, затем оставшаяся жидкость кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и Б. В левом ниж­ нем кружке показана структура уже закристаллизовавшегося сплава, состоящего из первичных кристаллов А и механической смеси кристаллов А и В, которые кристаллизовались одновре­ менно. В сплаве IV (правый нижний кружок) структура состоит из первичных кристаллов В и механической смеси кристаллов А и В.

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одно­ временно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтек­ тикой. Температура, при которой образуется эвтектика, называ­ ется эвтектической температурой, а состав сплава, при котором образуется эвтектика, называется эвтектическим (сплав кон­ центрации точки С). Линия DCE — линия образования эвтекти­ ки. Все сплавы данной системы окончательно затвердевают при эвтектической температуре. Сплавы, лежащие левее точки С, на­ зываются доэвтектическими, а правее — заэвтектическими.

Диаграммы такого типа имеют системы Pb-Sb, Sn-Zn.

2.6.2. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты

которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (II рода)

Оба компонента сплава (А и В) неограниченно растворимы в жидком (L) и твердом состоянии и не образуют химических соеди­ нений. Диаграмма имеет простой вид и показана на рис. 2.10, а, где линия АтВ — ликвидус, АпВ — солидус.

Структура всех этих сплавов однофазная и состоит из зерен, которые представляют собой твердый раствор одного компонен­ та в другом (рис. 2.10, б). Из кривых охлаждения сплавов видно,

100 50 0 Л, %

Рис. 2.10. Диаграмма состояния II рода (а), кривые охлаждения

сплавов I, II, III и схемы их структур (б)

что до точки 1 происходит охлаждение жидкого сплава, на уча­ стке 1-2 — кристаллизация твердого раствора, а ниже точки 2 — охлаждение уже твердого вещества.

Рассмотрим процесс затвердевания одного из сплавов этой си­ стемы. Кристаллизация сплава I начинается при температуре tx. Из жидкой фазы состава т выделяются кристаллы твердого раствора состава п, обогащенные компонентом В.

При дальнейшем охлаждении до температуры t2в равновесии

сжидкостью состава q находятся кристаллы твердого а-раствора состава р. При кристаллизации сплава I состав жидкости непре­ рывно меняется по линии ms, а твердого раствора — по линии п2,. В результате медленного охлаждения в равновесных условиях успевает произойти диффузионное перераспределение компонен­ тов между жидкой и твердой фазами. Поэтому к моменту окон­ чания процесса кристаллизации при температуре t3 все зерна твердого раствора будут иметь одинаковый состав.

Определим состав и количество фаз в точке К. В соответствии

справилом отрезков в точке К в равновесии находятся жидкая фаза (точка q) и твердая фаза (точка р). Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Коли­ чество жидкой фазы определяется соотношением Кр :qp, а коли­

чество твердой фазы — соотношением qK'.qp. Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидуса q на ось концентрации (точка q'). Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения гори­ зонтали с линией солидуса р на ось концентрации (точка р').

В реальных условиях охлаждения состав кристаллов получа­ ется неоднородным. Это происходит потому, что скорость кри­ сталлизации больше скорости диффузии и у кристаллов, образую­ щихся при температуре выше t4, не успевает произойти диффу­ зионное перераспределение компонентов. Внутренние участки кристалла обогащаются тугоплавким компонентом В, а наруж­ ные — компонентом А. Такая неоднородность химического со­ става называется внутрикристаллической или дендритной ли ­ квацией. Ликвация чаще всего играет отрицательную роль, так как ухудшает технологические и механические свойства сплавов.

Диаграммы такого типа имеют системы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-V, Mo-W и др.

2.6.3. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты

которых ограниченно растворимы в твердом состоянии (III рода)

Общий вид такой диаграммы состояния показан на рис. 2.11, а, где линия АСВ — ликвидус, ADCEB — солидус. Оба компонента А и В сплава неограниченно растворимы в жидком (L) состоя­ нии, ограниченно — в твердом и не образуют химических со­ единений.

Характерной особенностью данной диаграммы является то, что здесь не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы а или р. Сплавы, составы которых расположены в об­ ласти а и р , кристаллизуются аналогично сплавам предыдущей диаграммы состояния (см. рис. 2.10). В этих областях образу­ ются однородные твердые а-раствор (с кристаллической решеткой компонента А) и Р-раствор (с кристаллической решеткой компо­ нента В). Предельная растворимость компонента В в А опреде­ ляется линией DF, а А в В — линией ЕК.

Рассмотрим превращения, происходящие в сплаве I (рис. 2.11, б). После полного затвердевания в точке 2, кристаллы имеют состав xt и сохраняют его до точки 3t. При дальнейшем охлаждении кон-

100 80 60 40 20 0 А,%

Рис. 2.11. Диаграмма состояния III рода (а), кривые охлаждения

сплавов I, II, III и схемы их структур (б)

центрация компонента В в твердом а-растворе уменьшается до значения, соответствующего точке F. Определим фазовый состав данного сплава при температуре tx, используя правило отрезков. Через точку т проведем горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы DF и ЕК. Проекции точек пересечения а и b на ось концентрации укажут состав фаз. Твердый а-раствор имеет состав, соответствующий ха, а твердый p-раствор — состав, соответствующий К. По мере уменьшения концентрации в твер­ дом а-растворе часть компонента В выделяется из раствора и об­ разует отдельные кристаллы компонента р, называемые вторич­ ными (Рп), которые обычно располагаются по границам зерен. Конечная структура данного сплава будет состоять из двух фаз (а + 0„).

В сплавах II и III при температуре точек 2 в равновесии нахо­ дится жидкая фаза состава точки С и твердая фаза состава точ­ ки D для сплава II и точки Е для сплава III. При температуре точки 2 из оставшейся жидкости состава точки С одновременно выделяются зерна a -твердого раствора (точка D) и р-твердого раствора (точка Е), образуя эвтектику (а + Р). Структура спла­ вов, лежащих левее точки С, состоит из a -кристаллов, эвтекти­ ки (а + Р) и кристаллов рш а структура сплавов правее точки

С — из P-кристаллов и эвтектики (а + Р). Фазовые состояния сплавов и их структуры в различных областях диаграммы ука­ заны на рис. 2.11, а.

Диаграмму такого типа имеет система Pb-Sn.

2.6.4. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (IV рода)

Оба компонента сплава неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии образуют устойчивое химиче­ ское соединение. Общий вид данной диаграммы состояния пока­ зан на рис. 2.12, а. Химическое соединение А пВп характеризу­ ется определенным соотношением компонентов, которое отража­ ется на диаграмме вертикальной линией, проходящей через точку оси абсцисс, отвечающую соотношению компонентов в хи­ мическом соединении. Это означает, что в данном соединении на п атомов компонента А приходится т атомов компонента В.

Легко заметить, что диаграмма как бы составлена из двух диаграмм I рода. Левая часть образована компонентом А и хими­ ческим соединением АПВЮ, а правая — компонентом .В и соеди-

Р ис.2.12. Диаграмма состояния IV рода (а) и кривые охлаждения

сплавов I, II и схемы их структур (б)

нением А пВт. Точка С на диаграмме соответствует концентрации компонентов в химическом соединении. В сплавах, лежащих левее точки С, компонента А больше, чем в химическом соеди­ нении А пВ т, и структура этих сплавов состоит из смеси А и А пВ т. Структура сплавов, лежащих правее точки С, состоит из смеси В

иАпВп. Кристаллизация таких сплавов не отличается от кристал­ лизации сплавов, описанных ранее для механических смесей. Характерной особенностью этой диаграммы является то, что в ее левой части образуется эвтектика, состоящая из кристаллов А

ихимического соединения А пВт(точка £,), в правой части — эв­ тектика из кристаллов В и химического соединения А пВт(точ­ ка Е г).

2.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Свойства сплавов зависят от их строения, которое определяет­ ся характером взаимодействия компонентов. Диаграммы состоя­ ния характеризуют взаимодействие компонентов и показывают, какие фазы и структуры образуются в зависимости от состава сплава и температуры. Отсюда вытекает, что должна существо­ вать определенная связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплава. Такая связь была установлена академиком Н.С. Курнаковым.

1.При образовании механической смеси свойства изменяют­ ся прямолинейно и их значения находятся в интервале между свойствами чистых компонентов (рис. 2.13, а).

2.При образовании твердых растворов свойства изменяются по плавным кривым (рис. 2.13, б).

3.При образовании ограниченных твердых растворов харак­ тер изменения свойств становится более сложным. В области одно­

фазных твердых растворов а и Р они изменяются по плавным кривым, в двухфазных — по прямолинейному закону (рис. 2.13, в).

4. При образовании химического соединения свойства изме­ няются резко — скачком. Максимум или минимум на кривой изменения свойств соответствует точке химического соединения. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой (рис. 2.13, г).

По диаграммам состояния можно также определить технологи­ ческие свойства сплавов. Чем больше расстояние между линиями

ликвидуса и солидуса, тем больше интервал кристаллизации и тем больше склонность сплавов к ликвации и образованию усадочной пористости. Лучшими литейными свойствами обладают эвтекти­ ческие сплавы. Эти же сплавы лучше обрабатываются резанием. Однофазные сплавы — твердые растворы — лучше деформиру­ ются в холодном и горячем состоянии.

Из сказанного можно сделать вывод, что диаграммы состоя­ ния позволяют теоретически прогнозировать свойства сплавов, создавать промышленные сплавы с заданными свойствами и вы­ бирать оптимальные виды обработки для получения заданной структуры и свойств.

33 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В технике наиболее широко применяют сплавы железа с уг­ леродом — стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния же­ лезо — углерод имеет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабилъная, ха­ рактеризующая превращения в системе железо — цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превраще­ ния в системе железо — графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe-C приведе­ ны на рис. 3.1.

Аустенит (А) С < 2,14 % Цементит (Ц) С = 6,67 % Феррит (Ф) С < 0,02 %

Рис. 3.1. Основные фазы и структурные составляющие в сплавах

на основе железа в равновесном состоянии