4 Введение Диаграммы состояния представляют собой графические изображение превращений в металлических сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

При выборе материалов для изготовления различного рода изделий, использующихся в широком диапазоне условий экс­плуатации, необходима оценка их физико-химических, механи­ческих и технологических свойств и возможностей изменения последних. Рациональный подход к такой оценке дают знание диаграмм фазового равновесия и умение их анализировать.

К настоящему времени изучено около 10 тыс. диаграмм состоя­ния двойных систем, и число их продолжает расти.

Превращения в сплавах происходит в равновесных состояниях (при очень медленном нагреве или охлаждении), когда практически отсутствует перенагрев или переохлаждение. Поэтому диаграммы состояния называют также диаграммами равновесия.

Диаграммы состояния показывают процесс кристаллизации сплавов рассматриваемой системы. Процесс кристаллизации, а, следовательно, характер кривых нагревания и охлаждения зависит от того, какие фазы образуются в сплаве. Так, например, плавление и кристаллизация сплава Pb-Sb эвтектической концентрации происходит при постоянных температурах, а сплавов системы Cu-Ni в интервале температур. В первом случае структура сплава при нормальной температуре представляет собой механическую смесь кристаллов Pb и Sb, а во втором – кристаллы твердого раствора Cu и Ni. Существенно различаются по внешнему виду и диаграммы состояния систем Pb-Sb и Cu-Ni.

Многообразие типов диаграмм состояния объясняется различным характером взаимодействия компонентов, образующих сплавы. Атомы компонентов могут отталкиваться, притягиваться и не взаимодействовать друг с другом. Вследствие этого образуется механические смеси, твердые растворы замещения и внедрения, химические соединения.

Химический состав и структура определяют свойства металлического сплава. Структура в свою очередь зависит от характера взаимодействия компонентов, входящих в состав сплава, что и отражают диаграммы состояния. Следовательно, между диаграммами состояния и полученными свойствами сплавов существует определенная зависимость, которая впервые была изучена Н.С. Курнаковым (см. приложение 2).

Для построения диаграммы состояния берут несколько сплавов из одной системы с различным соотношением масс входящих компонентов. Сплавы помещают в тигли и нагревают в печи. После расплавления медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения (с помощью термопары и секундомера). В результате получают серию кривых охлаждения, а по ним строят диаграмму состояния (рис.1).

Правило отрезков может быть использовано только для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии. Например, определить состав фаз для сплава в точке а при температуре t₁ (рис.1). Для этого через т. а надо провести горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающими данную двухфазную область (линия bc) точки пересечения b и c проецируется на ось концентраций. Проекция т.c -т.c ' покажет состав жидкой фазы (Pb-30%, Sb-70%), а т.b - т.b' - твердой фазы (для данной системы это чистая сурьма). Чем меньше температура, тем больше Pb. При 246°C – эвтектика (Sb-13%, Pb-87%) – во всех сплавах данной системы будет такой состав эвтектики.

Если принять, что отрезок bc выражает количество всего сплава, то количество выделившейся избыточной сурьмы соответствует отрезку cа, жидкой фазы – отрезку аb . Для определения относительного количества фаз пользуются отношением: Qж/Qс=ab/bс, Q_Sb/Qс=ca/bс, Qж/Q_Sb=ab/сa,

где Qж – количество жидкого расплава; Q_Sb – количество кристаллов сурьмы; Qс – количество всего сплава

2

1

2

3

3^/

4

Рисунок 1. Построения диаграммы и правило отрезков.

Рассмотрим охлаждение сплава (95% Pb, 5% Sb):

Состояния в характерных точках	Процессы
Т. 1 – сплав в жидком состоянии	1-2 – охлаждение жидкости
Т. 2 – начало кристаллизации кристаллов Pb	2-3 – кристаллизация кристаллов Pb
Т. 3 – конец кристаллизации кристаллов Pb и начало образования эвтектики (механической смеси кристаллов Pb и Sb)	3-3/ - образование эвтектики
Т. 3/ - конец образования эвтектики	3/-4 – охлаждение сплава
Т. 4 – сплав при комнатной температуре

Практическое занятие №6.

Анализ диаграммы состояния сплавов «железо- цементит»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить линии, точки и области диаграммы железо-цементит, ее фазы и структуры; превращения в сплавах с различным содержанием углерода при нагревании и охлаждении; применение правила отрезков.

2 ЗАДАНИЕ

2.1 Изучить структурные составляющие диаграммы железо-цементит по содержанию углерода, числу фаз, кристаллическим решеткам и свойствам.

2.2 Изучить структурные превращения железоуглеродистых сплавов по диаграмме железо-цементит при нагреве и охлаждении.

2.3 Научиться определять процентный и количественный состав сплавов.

2.4 Построить кривые охлаждения для указанных сплавов.

3 ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ И ИНСТРУМЕНТ

Плакаты: диаграмма железо-цементит, кривая охлаждения чистого железа, кривые охлаждения сплавов с различным содержанием углерода, строение структурных составляющих сплава.

4 ВВЕДЕНИЕ

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — составляют до 90% металлофонда в экономике России, являясь основными конструкционными металлами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлажде­нии до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграм­мой состояния «железо — цементит», что предопределило ее широкое использование для выбора оптимальных режимов про­изводства и термообработки железоуглеродистых сплавов на протяжении почти полутора веков (Д.К. Чернов, 1868).