Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007
.pdf
добинарную диаграмму фазового равновесия, где промежуточные фазы являются компонентами.
Изображения пространственной модели, подобные приведенной на рис. 5.55, удобны для обзора общего вида тройной диаграммы и позволяют составить о ней качественное представление, но не пригодны для количественных оценок. Поэтому изотермические сечения, подобные представленным на рис. 5.54, наиболее пригодный способ графического изображения тройных равновесий в двух измерениях. В этом случае различные элементы диаграммы имеют простейшую форму. Этот метод становится достаточно сложным, когда для описания диаграммы фазового равновесия приходится проводить много изотермических сечений. Однако только таким способом в ряде случаев можно получить количественные оценки процессов и положения границ в тройной системе при определенных температурах.
Рассмотрим типичное изотермическое сечение тройной системы для компонентов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Пространственная модель этой системы показана на рис. 5.58,а.
Рис. 5.58. Тройная система |
|
с неограниченной растворимостью |
|
компонентов в жидком и твердом |
|
состояниях: |
|
а – объемная модель системы; |
|
б – проекция линий пересечения |
а |
плоскости T1 c поверхностями |
|
ликвидуса и солидуса |
|
на концентрационный |
|
треугольник |
|
(изотермический разрез) |
|
|
б |
331
Система имеет две поверхности ликвидуса и солидуса. Эти поверхности на объемной модели пересечены горизонтальной плоскостью, соответствующей температуре T1, которая несколько ниже температуры плавления компонента В и выше температур плавления компонентов А и С. Если спроектировать линии пересечения на плоскость концентрационного треугольника, получим две кривые ab и cd (рис. 5.58,б), которые ограничивают область существования двухфазной области α + L. На этом сечении в этой области показано возможное расположение пучка конод в виде веера. К углу треугольника с компонентом В прилежит область существования α- твердого раствора, а ближе к компонентам А и С – область существования жидкости L. Построение вертикальных разрезов не должно вызывать каких-либо трудностей.
Контрольные вопросы
1.Что такое компоненты?
2.Что такое фаза?
3.Что такое правило фаз?
4.Что такое число степеней свободы?
5.Что такое структура?
6.Что такое структурные составляющие?
7.Что такое фигуративная точка?
8.Каким образом строится p–Т диаграмма для однокомпонентной системы с помощью кривых температурной зависимости изобарноизотермического потенциала?
9.Дайте характеристику p–Т диаграммы?
10.Примените правило фаз к p–Т диаграмме.
11.С помощью p–Т диаграммы объясните принцип катания на коньках на льду.
12.Почему линия сублимации на p–Т диаграмме имеет положительный наклон.
13.Каковы термодинамические принципы построения двухкомпонентных диаграмм фазового равновесия?
14.Дать два определения коноды.
15.В каких областях диаграммы фазового равновесия можно провести коноды?
16.Что такое линия ликвидус и линия солидус?
17.Что такое изоморфизм?
18.Назовите условия образования изоморфных растворов.
332
19.Что такое правило отрезков (или рычага)?
20.Что такое интервал кристаллизации?
21.Каковы особенности диаграмм фазового равновесия с экстремальными точками на кривых ликвидуса и солидуса?
22.Нарисуйте зависимость изобарно-изотермического потенциала от концентрации в случае разрыва растворимости.
23.Что такое диаграмма p–Т–x?
24.Что такое бинодальная кривая?
25.Что такое вторичная кристаллизация?
26.Как выглядит диаграмма фазового равновесия с упорядочением? Укажите изменение степени порядка.
27.Что такое трехфазное равновесие?
28.Чем характеризуется эвтектическое и перитектическое равновесия?
29.Какие реакции на горизонтальных линиях относятся к эвтектическому типу?
30.Какие реакции на горизонтальных линиях относятся к перитектическому типу?
31.Является ли любая горизонтальная линия конодой?
32.Что такое сольвус?
33.Может ли меняться состав эвтектики в данной диаграмме?
34.Покажите линии ликвидуса и солидуса на эвтектической диаграмме с взаимной ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
35.Какой сплав на эвтектической диаграмме обладает лучшими ли-
тейными свойствами?
36.Как вы понимаете термин «вырожденная эвтектика»?
37.Что такое ретроградный солидус?
38.Описать структурообразование при охлаждении для сплавов, составы которых лежат вблизи эвтектической точки?
39.В чем заключается различие между фазами и структурными составляющими (на примере эвтектической диаграммы)?
40.Как выглядят кривые охлаждения до- и заэвтектических сплавов в зависимости от их состава?
41.Что такое треугольник Таммана?
42.Примените правило фаз к различным областям диаграммы фазового равновесия с эвтектикой.
43.Как зависят свойства эвтектических сплавов от состава?
44.Что такое полиморфизм или аллотропия?
45.Нарисуйте фазовую диаграмму с наличием полиморфизма у одного из компонентов.
46.Что такое эвтектоид?
333
47.Как может измениться фазовая диаграмма при ускоренном охлаждении сплавов?
48.Чем характеризуется неравновесное затвердевание?
49.Что такое ликвационная структура?
50.Особенности монотектической реакции?
51.Особенности метатектической реакции?
52.Какова особенность фазовой диаграммы с перитектической реакцией, представленной на рис. 5.34?
53.Почему при затвердевании в реальных условиях перитектических сплавов отмечаются существенные отклонения от равновесия?
54.Какие трудности вы можете отметить при прохождении перитектоидной реакции?
55.Что такое купол расслоения и в каких фазовых диаграммах он наблюдается?
56.Что такое промежуточная фаза?
57.Что такое конгруэнтное и инконгруэнтное плавление промежуточных фаз?
58.Понятие об области гомогенности промежуточной фазы.
59.Дальтониды и бертоллиды. Чем они отличаются?
60.Опишите фазовые превращения при кристаллизации сплавов системы железо–углерод: доэвтектоидной стали, эвтектоидной стали, заэвтектоидной стали.
61.Опишите структурные составляющие сплавов системы железо– углерод: доэвтектоидной стали, эвтектоидной стали, заэвтектоидной стали при комнатной температуре.
62.Какие линии на диаграмме железо–углерод обозначаются буквой
Ас различными индексами?
63.Сколько углерода содержат стали, одной из структурных составляющих которых является феррит?
64.Что такое феррит и аустенит?
65.Рассчитайте вес структурных и фазовых составляющих образца стали с содержанием 0,35 % С при 720 0С при общем весе образца 1000 г.
66.Рассчитайте для стали с содержанием 0,65 % С сколько грамм феррита входит в состав перлита в образце весом 1000 г при 720 0С.
67.Рассчитайте для стали с содержанием 1,0 % С сколько грамм цементита израсходуется на образование перлита при охлаждении образца весом 100 г и сколько перлита при этом образуется.
68.Сплав является серым чугуном с перлитной основой и содержит 3% С. Рассчитайте весовую долю фазовых составляющих сплава при 850
и 20 °С.
334
69.Опишите процессы, происходящие в доэвтектических и заэвтектических чугунах при охлаждении до комнатной температуры.
70.В каких формах может находиться графит в чугунах?
71.Описать структуры серых чугунов.
72.На какие свойства влияет форма распределения графита в чугу-
нах?
73.Проведите анализ диаграммы фазового равновесия, представленной на рис. 5.25,а.
74.Проведите анализ диаграммы фазового равновесия, представленной на рис. 5.25,б.
75.Проведите анализ диаграммы фазового равновесия, представленной на рис. 5.34.
76.Начертите диаграмму фазового равновесия, состоящую только из трех перитектических реакций.
77.Начертите диаграмму фазового равновесия, состоящую из двух монотектических и одной эвтектической реакции.
78.Начертите диаграмму фазового равновесия, состоящую из двух перитектических, одной эвтектоидной и одной перитектоидной реакции.
79.На каком принципе основано представление состава сплава в тройных системах?
80.Какой вертикальный разрез тройной диаграммы соответствует псевдобинарному?
81.Постройте вертикальный разрез, проходящий через точки А и Х тройной системы, представленной на рис. 5.55
Список использованной литературы
1.Аносов В.Я., Погодин С.А. Основные начала физико-химического анализа. – М.: Изд. АН СССР, 1974. – 876 с.
2.Лившиц Б.Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. – 334 c.
3.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машино-
строение, 1990. – 528 с.
4.Глазов В.М., Павлова Л.М. Химическая термодинамика и фазовые равновесия. – М.: Металлургия, 1981. – 336 с.
5.Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников
идиэлектриков. – М.: Металлургия, 1988. – 576 с.
6.Райнз Ф. Диаграммы фазового равновесия в металлургии. – М.: Металлургиздат, 1960. – 376 с.
7.Физическое металловедение. Т.2. Фазовые превращения в металлах
исплавах и сплавы с особыми физическими свойствами. /Под ред. Р. Кана
иП. Хаазена. – 3-е изд. – М.: Металлургия, 1987. – 624 с.
335
8.Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Ме-
таллургия, 1986. – 480 с.
9.Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. М.: Мир, 1978. – 808 с.
10.Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем. – М.: Атомиздат, 1978. – 184 с.
11.Нечаев В.В., Смирнов Е.А. Физическая химия сплавов. – М.: МИФИ, 2006. – 228 с.
12.Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. – М.: Металлургия, 1978. – 292 с.
13.Штейнберг С.С. Металловедение. – Свердловск.: Металлургиздат, 1961. – 598 с.
14.Петров Д.А. Двойные и тройные системы. – М.: Металлургия, 1986. – 256 с.
15.Юм-Розери В., Христиан Дж., Пирсон В. Диаграммы равновесия металлических систем. – М.: Металлургиздат, 1956. – 398 с.
16.Prince A. Alloy phase equilibria. Elsevier. Amsterdam, 1966. – 372 p.
17.Porter D.A. Phase transformations in metals and alloys. Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Ltd. England, 1983. – 446 p.
18.Hillert M. The uses of the Gibbs free energy - composition diagrams, Chapter 1 in Lectures on theory of phase transformations. The Metallurgical Society of AIME. New York, 1975. – 348 p.
336
ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ИЗ РАСПЛАВА
6.1. Структура и структурно-фазовое состояние материалов
Твердое тело всегда имеет определенное внутреннее строение – структуру1 . В общем (геометрическом) представлении структура
– это совокупность точек, отрезков, линий, поверхностей и объемов, определенным образом расположенных в пространстве.
Внутреннее строение твердого тела можно описать этими структурными элементами: положение атомов – точками, границы раздела зерен и фаз2 – поверхностями, сами зерна – определенными объемными фигурами.
Представления о структуре твердого тела развивались по мере развития экспериментальной техники для ее изучения. С появлением оптики стало возможным исследовать внутреннее строение материалов с небольшим разрешением, и были обнаружены структурные элементы в слитках чугуна, стали и других сплавов – крупные зерна, которые позже стали использовать для описания макроструктуры. Дальнейшее развитие оптики и методики препарирования (полировки, травления) образцов металлов и сплавов позволило обнаружить достаточно малые элементы структуры – кристаллиты, характеризующие микроструктуру (зерно, субзерно, дислокации).
Появление растровой и особенно просвечивающей электронной микроскопии позволяет исследовать субструктуру (кластеры атомов, фазы, дислокации и другие дефекты). Развитие рентгеновских и других дифракционных методов (нейтронов, электронов) позволило расшифровать атомно-кристаллическую структуру, т.е. пространственное расположение атомов (упаковку атомов) в конденсированном состоянии. Появление автоионных микроскопов дало
1Физическое материаловедение. Т. 1. – М.: МИФИ, 2007. Пп. 1.1.3, 3.1.5.
2Там же, п. 3.3.1.
337
возможность получить на экране пространственное расположение атомов в поверхностном слое изучаемого материала.
Таким образом, наши представления о структуре развиваются (углубляются) по мере развития экспериментальной техники, и в настоящее время для описания уровня анализа внутреннего строения материалов используются понятия макроструктуры, микроструктуры, субструктуры, наноструктуры и кристаллографической (рентгенографической) структуры.
В повседневной практике понятие «структура» часто используется как синоним понятия «строение» без конкретизации вида структуры. Это допустимо при обсуждении уточненного ранее уровня структуры, но материаловедам следует использовать конкретные определения уровня структуры. Часто обобщенным понятием «структура» пользуются для описания структурно-фазового состояния материала, что не допустимо. Структурно-фазовое состояние формируется не только конкретной структурой (микроструктурой), но и зависит от элементного (химического) состава сплава и присутствующих фаз, т.е. является более сложным признаком описания состояния материала.
Структура и структурно-фазовое состояние (СФС) любых ма-
териалов и особенно сложнолегированных важны, так как определяют их свойства. Поэтому при выборе и разработке новых сплавов (материалов) важно учитывать зависимости типа свойства– структура, свойства–СФС. При этом важна количественная оценка структуры и СФС, например: оценка формы, размера, взаимного расположения элементов микроструктуры и субструктуры, вида и плотности дефектов, размера, формы и плотности выделений фаз и др. Для этого используются все современные методы изучения СФС. Так, металлографический анализ широко используется в промышленности для контроля микроструктуры, включая величины действительного и природного зерна, загрязненность материала посторонними включениями, распределение фаз и дефектов.
Начальная структура материалов формируется в процессе их производства и поэтому зависит от технологии получения. Схема трех методов (технологий) получения материалов представлена на рис. 6.1. Основными технологиями являются: плавление шихты и затвердевание сплава; диспергирование сплава и смешение порош-
338
ков; одновременное конструирование (производство) материала и изделия.
Рис. 6.1. Схема возможных путей получения нового материала
Как видно на рис. 6.1, каждому из методов предшествует получение исходных веществ, производимых в большинстве случаев из соответствующих руд различными металлургическими технологиями. Учитывая то, что основная масса конструкционных мате-
339
риалов создается традиционными технологиями сплавления исходных веществ (шихты), рассмотрим далее основные этапы формирования СФС материалов при затвердевании расплавов.
Формирование СФС при классическом методе «плавления и затвердевания» осуществляется на всех этапах процесса, включая приготовление и получение расплава (плавки), его охлаждение в процессе разливки или литья (затвердевания), последующей термомеханической обработки и финишного модифицирования. В весьма обширной металлургической литературе изложены различные физико-химические проблемы каждого из этапов получения сплавов с заданным СФС, включая приготовление расплава, энергетическое воздействие на расплав (ультразвуком, механическими вибрациями, магнитным полем и др.), новые технологии литья (электрошлаковое, реолитье и др.). В этой главе рассмотрим физические (физико-химические) закономерности формирования структуры сплавов при затвердевании в зависимости от строения и состава расплавов.
62B .2. Расплавы металлов и сплавов.
Жидкое3B состояние
Из физики хорошо известно, что любое вещество в зависимости от температуры и внешнего давления может находиться в одном из четырех состояний: газообразном, жидком, твердом и в виде плазмы. Газообразная субстанция состоит из свободных (от взаимодействия и связей) или слабо взаимодействующих атомов, поведение которых можно описать уравнением для идеального газа: pV = nkT, где р – давление, V – объем, T – температура (в Кельвинах), n – плотность и k – постоянная Больцмана.
При переходе из газообразного в конденсированное состояние, т.е. при увеличении плотности, возникает межатомное взаимодействие, характер которого определяется электронной структурой атомов вещества. При коллективизации электронов возникает металлическая связь, при локализации – ковалентная связь, при обмене атомов электронами – ионная связь.
Нас интересует эволюция сил межатомного взаимодействия одного и того же вещества при переходе одного состояния в другое,
340