- •Курс лекций по материаловедению
- •Предисловие
- •Рекомендуемая литература
- •Лахтин ю.М., Леонтьева в.П. Материаловедение. – м.: ид Альянс, 2009. – 528 с.
- •Сапунов с.В. Материаловедение: Текст лекций. – сПб.: сПбГиэу, 2006. – 66 с.
- •Сапунов с.В. Основы материаловедения: Учеб. Пособие. – сПб.: сПбГиэу, 2010. – 155 с.
- •1(1). Предмет материаловедения. Историческая справка
- •2(2). Мировое производство основных материалов
- •3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
- •4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал
- •5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов
- •6. Виды контроля, параметры и методы оценки качества материалов
- •7(12). Механические испытания материалов
- •8(13). Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •9. Испытания на изгиб и сжатие
- •10(14). Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •11(15). Определение ударной вязкости при изгибе
- •12. Испытание на вязкость разрушения
- •13. Испытание на усталость. Живучесть
- •14. Стандарты на материалы. Принципы маркировки и сортамент металлических материалов
- •15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования
- •16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности
- •17(6). Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия кристаллов
- •18(7). Точечные, линейные и поверхностные дефекты в кристаллах, влияние на прочность
- •19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп
- •20(10). Возврат и рекристаллизация
- •21. Холодная и горячая деформация. Сверхпластичность. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •22(17). Полиморфные превращения
- •23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси
- •24. Диаграммы фазового равновесия
- •25. Правило фаз и правило отрезков
- •26. Ликвация в сплавах
- •27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
- •31(22). Структурные классы легированных сталей
- •32(23). Цели легирования
- •33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
- •34(24). Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка
- •35(25). Виды отжига и их назначение
- •36(26). Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
- •37(27). Искусственное и естественное старение сплавов
- •38. Виды брака при термообработке
- •39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение
- •41(9). Объемное и поверхностное деформационное упрочнение
- •42(30). Классификация сталей
- •43(31). Конструкционные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •1. Углеродистые стали
- •2. Легированные стали
- •44(32). Инструментальные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
- •47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •49(35). Алюминий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •50(36). Титан и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •51(37). Медь и сплавы на ее основе, маркировка, свойства и область применения
- •52. Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
- •55. (40). Неметаллические материалы. Классификация полимеров
- •56. (40). Пластические массы, состав, свойства и область применения
- •57. Эластомеры. Состав, классификация и свойства резин
- •58. Клеящие материалы и герметики, состав, классификация и свойства
- •5 9. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения
- •60. Порошковые материалы, структура, свойства и область применения
- •61. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения
- •62. Наноматериалы
- •63. Древесные материалы, классификация, свойства и область применения
- •64. Вспомогательные материалы. Смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, асбест, бумага кожа, текстиль
- •65. Защитные и декоративные покрытия. Лакокрасочные, электролитические и горячие покрытия. Плакирование
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Приложение в Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса
24. Диаграммы фазового равновесия
Диаграммы фазового равновесия или диаграммы состояния в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от давления, температуры и состава (концентрации элементов) – p-t-x. Для процессов, происходящих при постоянном давлении (например, атмосферном), такие диаграммы строят в координатах t-x.
Для построения диаграмм состояния чаще всего используют термический анализ, заключающийся в экспериментальном получении кривых охлаждения отдельных сплавов, отличающихся содержанием компонентов. Температуры соответствующих превращений, называемых критическими точками, определяют по перегибам или остановкам на кривых охлаждения, которые вызваны тепловыми эффектами при первичной кристаллизации или превращениями в твердом виде. Важным условием при построении диаграмм является равновесное состояние фаз, которое достигается только при очень медленном охлаждении. Равновесное состояние соответствует минимальной энергии Гиббса.
Для более детального изучения превращений в твердом состоянии дополнительно используют микроскопический, рентгеноструктурный, дилатометрический, магнитный и др. виды анализа.
Линия на диаграмме состояния, на которой начинается кристаллизация называется линией ликвидуса, а на которой заканчивается – солидуса.
1) Диаграммы состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы
Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и близкие атомные диаметры например, медь и никель.
Построим диаграмму состояния по экспериментальным кривым охлаждения сплавов в сечениях: А, 1, 2, 3, В – рис. 24.1.
Р ис. 24.1. Построение диаграммы состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях: а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния
Кривые охлаждения чистых компонентов А и В имеют явно выраженные площадки, связанные с остановкой охлаждения обусловленной выделением скрытой теплоты кристаллизации, в частности, tкрCu = 1083 оС, tкрNi = 1452 оС. Причиной выделения скрытой теплоты является упорядочение структуры, связанное с построением соответствующей кристаллической решетки.
На кривых охлаждения сплавов 1–3 таких площадок нет, а есть лишь критические точки (t1– t6), в которых происходит изменение скорости охлаждения. Рассмотрим кривую охлаждения 1 для сплава, содержащего 25 % В + 75 % А. На участке 1–t1 выше линии ликвидуса охлаждается жидкость. В точке t1 появляется первая порция твердой фазы – α-твердого раствора В в А. На участке t1–t2 происходит дальнейшая кристаллизация сплава с пониженной скоростью охлаждения из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации. В точке t2 кристаллизация заканчивается. На участке ниже t2 – ниже линии солидуса – происходит ускоренное охлаждение (т.к. скрытая теплота кристаллизации уже не выделяется) образовавшегося α-твердого раствора В в А. Аналогичные процессы происходят и в других сечениях, отличающихся соотношением компонентов.
2) Диаграммы состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы
Ограниченная растворимость наиболее часто встречается в металлических сплавах, при этом получается два типа диаграмм состояния: с эвтектическим и перитектическим превращением.
Рассмотрим диаграмму состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику – рис. 24.2. На этой диаграмме асb – линия ликвидуса, а аdсеb – линия солидуса.
Р ис. 24.2. Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику: а – кривые охлаждения, б – диаграмма состояния
В интервале концентраций 0f устойчив α-твердый раствор В в А; в интервале концентраций fk – смесь двух фаз α- и β-твердых растворов; в интервале концентраций k100 – β-твердый раствор А в В.
Между линиями ликвидуса и солидуса в равновесии находятся две фазы: α- или β-твердые растворы и жидкая фаза Ж. При температурах, соответствующих линии ас, из жидкого сплава выделяются кристаллы α-твердого раствора; а линии cb – кристаллы β-твердого раствора (рис. 24.2б). Линии ас и сb не только соответствуют температурам начала кристаллизации сплавов различного состава, но и показывают степень насыщения жидкой фазы компонентами А и В, т. е. являются линиями растворимости. Точка d характеризует предельную растворимость В в А, точка е – А в В при температуре tэ. Точки f и k характеризуют предельную растворимость соответственно В в А и А в В при комнатной температуре. Таким образом, линия df характеризует изменение растворимости В в А, а линия ek – изменение растворимости компонента А в В с изменением температуры; эти линии называют линиями предельной растворимости.
Сплав, соответствующий точке с (65 % В), затвердевает при постоянной температуре tэ. При температуре несколько ниже tэ жидкий сплав оказывается насыщенным по отношению к обеим фазам (α- и β-твердым растворам), т.к. точка с как бы принадлежит сразу двум ветвям линии ликвидуса – см. рис. 24.2б. Поэтому при температуре tэ одновременно с жидким раствором сосуществуют предельно насыщенные кристаллы твердых растворов αd и βе, образующих гетерогенную (многофазную) структуру. Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация α- и β-фаз при постоянной и самой низкой для данной системы температуре, называют эвтектическими. Структуру, состоящую из определенного сочетания двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называют эвтектикой. Эвтектическая структура представляет собой механическую смесь, состоящую из достаточно мелких кристаллов обеих фаз (α и β), т.к. при одновременной кристаллизации их из жидкого сплава рост каждой из них затруднен.
Состав сплава, соответствующий точке с, принято называть эвтектическим, составы, лежащие левее точки с – доэвтектическими, правее точки с – заэвтектическими.
Сплавы, расположенные левее точки d и правее точки е, кристаллизуются так же, как и сплавы с неограниченной растворимостью (см. рис. 24.1). После затвердевания сплавы, лежащие левее точки d, состоят только из кристаллов α-твердого раствора, а сплавы, лежащие правее точки k, – из кристаллов β-твердого раствора.
В процессе охлаждения доэвтектического сплава 2 при достижении температуры t4 в жидкости образуются первичные кристаллы α-твердого раствора. Выделение α-кристаллов продолжается до температуры tэ. Так, например, при температуре t5 составу жидкой фазы соответствует точка т, а составу твердой фазы – точка п (см. правило отрезков). При эвтектической температуры tэ в α-кристаллах достигается предельная концентрация В в А (точка d), а жидкая фаза приобретает эвтектический состав (точка с). В этих условиях при температуре tэ из жидкой фазы одновременно кристаллизуются предельно насыщенные твердые растворы αd и βе, образующие эвтектику. Процесс кристаллизации эвтектики проходит при постоянной температуре tэ (см. рис. 24.2а). После затвердевания сплав состоит из первичных кристаллов α и эвтектики (α+β). Любой доэвтектический сплав, соответствующий составу, находящемуся между точками d и с, имеет те же структурные составляющие (см. рис. 24.2б).
Эвтектический сплав (точка с на рис. 24.2б) начинает кристаллизоваться при температуре несколько ниже tэ. Кристаллизация протекает при постоянной температуре (см. рис. 24.2а), и после затвердевания сплав состоит только из эвтектики (α+β).
Кристаллизация заэвтектических сплавов, протекает так же, как и доэвтектических сплавов. Однако вместо кристаллов α-твердого раствора из жидкой фазы будут выделяться кристаллы β-твердого раствора. Структура заэвтектических сплавов состоит из первичных кристаллов β-фазы и эвтектики (α+β).
В доэвтектических и заэвтектических сплавах внутри двухфазной области, расположенной между кривыми растворимости df и ek, образовавшиеся фазы с понижением температуры меняют свой состав. Это связано с распадом кристаллов α- и β-твердых растворов. При понижении температуры из α-фазы выделяется вторичная βII-фаза, а из β-фазы выделяется вторичная αII-фаза. Состав α-фазы изменяется по линии df, а β-фазы – по линии ek. После окончательного охлаждения (при комнатной температуре) доэвтектические сплавы будут иметь структуру αf+βII+эвтектика (αf+βk), а заэвтектические сплавы – βk+αII+эвтектика (αf+βk).
Еще более сложный вид имеет диаграмма с полиморфными превращениями, например, рассматриваемая ниже диаграмма железо-цементит.