Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Кристаллическое строение

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого "кристаллос" - лед), где химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку. При определенных условиях образования они могут иметь естественную форму правильных симметричных многогранников. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц и симметрией кристаллической решетки.

Для аморфного состояния характерно наличие только ближнего порядка. Структуры аморфных веществ напоминают жидкости, однако обладают гораздо меньшей текучестью. Аморфное состояние обычно неустойчиво. Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом.

Элементарная ячейка. Элементарные ячейки являются кирпичиками кристалла. Существует всего семь типов элементарных ячеек: кубическая, тетрагональная, гексагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная и триклинная. Эти элементарные ячейки иногда называют примитивными, или сингониями. Каждая из сингоний представлена примитивной кристаллической ячейкой. Кроме того, существуют еще семь типов центрированных ячеек, которые содержат частицы на гранях и внутри ячейки. Всего существует 14 типов элементарных ячеек, которые называются решетками Браве, по имени французского ученого, который показал, что любую ячейку можно преобразовать в одну из 14. Чтобы выбрать ячейку, наиболее полно отражающую все особенности данной решетки, нужно придерживаться следующих правил:

· симметрия ячейки должна соответствовать симметрии решетки в целом;

· число прямых углов в ячейке должно быть максимальным;

· объем ячейки должен быть минимальным.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации "интимной жизнью дислокаций". С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.. Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким. Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

6. Строение слитка стали, ликвация, модефикация

Строение металлического слитка

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы - дендриты . Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)

В некоторых отливках после их затвердевания наблюдается неоднородность по химическому составу в отдельных зонах отливки или внутри отдельных зерен. это явление называется ликвацией. Основной причиной ликвации является то, что при затвердевании сплава твердая и жидкая фазы имеют различный состав в результате избирательного затвердевания.

Неравномерное распределение компонентов сплава по сечению отливок ухудшает их качество и часто служит причиной поломки деталей.

Основные способы устранения ликвации по удельному весу -- это хорошее перемешивание сплава и быстрое его охлаждение в форме. Лнквация в отливках -- крайне нежелательное явление, так как она снижает качество отливок.

Ликвация - свойство различных сплавов при остывании распадаться на составные части или отдельные соединения с различной точкой плавления; неоднородность таких сплавов обнаруживается появлением отдельных пятен, назыв. ликвационными пятнами. Л. наблюдается при застывании: 1) свинца с медью, 2) цинка с оловом, 3) серебра с медью, 4) свинца с оловом, 5) чугуна и стали; лучше и подробнее изучена Л. при отливах чугуна и стали, где она выражается появлением на поверхности отлитых частей листочков графита и более или менее крупных шариков (нагара).

Общие представления о модифицировании Экспериментально установлено, что чем больше зародышей в единице объема расплава, тем больше кристаллов образуется, тем они мельче и выше механические свойства металла. По этой причине в сплавах намеренно стараются облегчить формирование зародышей кристаллизации. Вещество, способствующее образованию зародышей, называют модификатором, а саму операцию - модифицированием. Модификаторы по их действию можно классифицировать на три группы:

1. модификаторы, повышающие смачиваемость одной составляющей сплава другой, т.е. снижающие поверхностное натяжение на границе между ними и тем самым облегчающие образование твердой фазы, контактирующей с жидкой;

2. модификаторы, являющиеся непосредственными зародышами кристаллизации;

3. инокуляторы - модификаторы, изменяющие литую структуру за счет уменьшения перегрева кристаллизующегося металлического расплава.

Модификаторы второго типа могут быть таковыми в очень редких случаях - когда их размер и температура модифицируемого металлического расплава настолько близка к температуре затвердевания, что ее будет недостаточно для расплавления введеного в ванну модификатора и уже закристаллизовавшегося на нем (намерзшего) слоя металла. Уже присутствующие в расплаве частицы твердой фазы (неметаллические включения или достаточно давно введенные, а значит имеющие одинаковую с кристаллизующимся расплавом температуру, частицы более тугоплавкого металла) не могут быть зародышами твердой фазы, так как в соответствии со вторым законом термодинамики (передача тепла от холодного к горячему невозможна) они просто не могут принять на себя (в себя) теплоту кристаллизации, выделяющуюся при образовании твердой фазы. Поэтому часто встречающиеся в литературе утверждения о том, что зародышами кристаллизации могут быть оксиды, нитриды и сульфиды является очень спорными. Кроме того, спорность положений о том, что сульфиды и нитриды в стали могут быть зародышами твердой фазы вызывает то, что на момент начала кристаллизации (температура 1400...1500 °С) образование таких соединений возможно лишь в экзотических случаях, в частности при очень высоких концентрациях азота и сильного нитридообразователя (например, циркония), также в исключительных случаях возможно выделение твердых частиц CaS при обработке металла чрезмерно большим количеством кальция при высокой концентрации серы. Но даже если эти включения и присутствуют в металле, они имеют одинаковую с ним температуру и поэтому не могут аккумулировать дополнительное количество энергии, выделяющейся при кристаллизации в виде теплоты плавления. Модификаторы третьего типа - инокуляторы - оказывают свое действие через охлаждение кристаллизующегося металлического расплава. Больший темп охлаждения способствует росту скорости кристаллизации и уменьшению развития ликвационных процессов, что, естественно, благоприятно отражается на структуре. Измельчение структуры способствует улучшению механических св-в металла. На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, наз-ую модифицированием. Она состоит во введении в жидких сплав перед разливкой специальных добавок -- модификат.. В качестве последних use-уют ПАВы (бор в сталях, натрий в алюминии и его сплавах), а также элементы, образующие тугоплавкие тонкодисперсные частицы (например, титан, цирконий в алюминии и его сплавах; алюминий, титан в сталях). Модификат. добавляют в сплавы в кол-вах от тысячных до десятых долей процента.

7. Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация - это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация - это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла. Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий. Физическая природа деформации металлов. Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений. Упругая - это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения. Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Виды разрушения: понятия о вязком и хрупком разрушении

Усталостью называется разрушение металлов под действием повторных нагрузок. Оно происходит у пружин автоматики. Большая часть поломок деталей вызвана усталостью материала. Усталостное разрушение развивается в деталях, работающих при напряжениях меньше предела текучести материала.

Упругопластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела. Процесс разрушения состоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение макротрещины по всему сечению тела.

В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вид разрушения зависит от многих факторов: состава металла, его структурного состояния, условий нагружения и температуры. Вид разрушения вязкий или хрупкий определяют в результате изучения изломов. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом. Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трещины критического размера и затем хрупкое бездислокационное разрушение. Хрупкое разрушение - это самопроизвольный процесс. Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые границы), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушения. Разрушение металла в условиях эксплуатации конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным - вязкохрупким.

Материалы разрушаются по разному в случаях усталости и при однократных нагрузках. Разрушение характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т. е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома. Однако в микрообъемах и тонких слоях сечения нагруженного образца могут быть пластические деформации, которые приводят к зарождению трещин. Данные трещины, постепенно развиваясь и распространяясь, приводят к окончательному разрушению материала. В случае усталостного нагружения начало пластической деформации, вызванное движением дислокаций, может быть при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения увеличивается плотность дислокаций, в первую очередь, в поверхностных слоях. Тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в характерные полосы, профиль которых представлен в виде выступов и впадин. Глубина впадин в зависимости от времени испытания может достигать 10-30 мкм. При образовании устойчивых полос скольжения происходит чередование областей с высокой и низкой плотностью дислокаций.

Усталостные трещины зарождаются в поверхностных впадинах. Один из возможных механизмов образования выступов и впадин связан с круговым движением винтовых дислокаций. Винтовая дислокация перемещается из одной плоскости в другую по замкнутому контуру при помощи поперечного скольжения. В итоге дислокация выходит на поверхность, на которой образуются выступы и впадины.Микротрещины при циклическом нагружении зарождаются на начальной стадии испытания за счет притока вакансий и последующего возникновения и слияния микропор. В образце может образоваться большое количество микротрещин. Но в дальнейшем развиваются не все микротрещины, а лишь те, у которых имеются наиболее острые вершины и которые наиболее благоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. К окончательному разрушению образца приводит самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца: для усталостного излома образца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома. В зоне прогрессивно растущей трещины наблюдаются полосы в виде изогнутых линий. Полосы образуются в результате рывков и задержек движения трещины вследствие упрочнения металла у ее основания и расширения ее фронта. На процесс разрушения при циклических нагрузках существенное влияние оказывают концентраторы напряжений. Концентраторы напряжений могут быть конструктивными (резкие переходы от сечения к сечению), технологическими (царапины, трещины, риски от резца), металлургическими (поры, раковины). Независимо от своего происхождения концентраторы напряжений в той или иной степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне переменных напряжений. Для оценки влияния концентратора напряжений на усталость испытывают гладкие и надрезанные образцы при симметричном цикле напряжений. Надрез на образце выполняется в виде острой круговой выточки.

8. Холодная и горячая деформация: сущность, достоинства и недостатки

Формообразование обработкой давлением основано на способности заготовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил, причем объем остается постоянным. Пластическая деформация может производиться в холодном либо в горячем состоянии металла.

Холодная деформация -- это деформация, которая происходит при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая деформация приводит к наклепу металла или сплава. Т<0,3Т_пл. В результате холодной деформации прочностные характеристики и твердость с увеличением степени деформации возрастают, а пластические свойства уменьшаются, вплоть до полного их исчерпания.

Горячая деформация -- это деформация, при которой конечная структура оказывается без следов упрочнения. Т0,5-0,7Т_пл. При этих температурах деформация также вызывает упрочнение ("горячий наклеп"), которое полностью снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении. При горячей деформации сопротивление металла деформированию уменьшается в 8--10 раз и остается неизменным в процессе обработки при условии, что температура металла остается выше, чем Т_рек..

Когда металл после деформации имеет частично рекристаллизованную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей, или теплой деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры, снижению прочностных и особенно пластических свойств. При горячей деформации нужно поддерживать необходимую температуру в ходе самого процесса обработки давлением, особенно при производстве изделий небольшого объема и с развитой поверхностью. В этом случае задача усложняется в связи с потерей теплоты при контакте с деформирующим инструментом.

Наклёп металлов и сплавов,изменение структуры и соответственно свойств металлов и сплавов, вызванное пластической деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации. Н. называется также технологический процесс создания упрочнённого состояния материала холодной поверхностной пластической деформацией. Явление Н. объясняется накапливанием в металле части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решётки, образование преимущественно ориентированных кристаллов (текстур), изменение дислокационных структуры, а также на увеличение удельного объёма металла в слое. Н. может быть результатом действия внешних деформирующих сил (деформационный Н.) или, реже, фазовых превращений (фазовый Н.). Н. сопровождается увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности материала.

В технике Н. используется для поверхностного упрочнения деталей. Кроме того Н. приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений,влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации, выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Н. осуществляют специальными способами и на специальном оборудовании, например, производят обкатку цилиндрических поверхностей роликами, зубьев зубчатых колёс роликами или зубчатыми накатниками, дробеструйную обработку фасонных поверхностей, обработку ударными инструментами и др.

9. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов. При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние - возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре

_..

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации. Полигонизация - процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами .

Схема полигонизации: а - хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б - дислокационные стенки после полигонизации. В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов -- процесс энергетически выгодный.

Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность . Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается. Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1стадия - первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия - собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления,для металлов для твердых растворов для металлов высокой чистоты

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t₁ начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации .

Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига. Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700^oС, для латуней и бронз - 560…700^oС, для алюминевых сплавов - 350…450^oС, для титановых сплавов - 550…750^oС.

10. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В)); 3. Основные линии диаграммы:? линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;? линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;? dm - линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;? fn - линия предельной концентрации компонента А в компоненте В. 4. Типовые сплавы системы.

При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью, см кривую охлаждения сплава I на рис. б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям, см. кривую охлаждения сплава II на рис. б.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов и , эвт. (кр. тв. р-ра + кр. тв. р-ра ) Кристаллы компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов не присутствуют.

11. Диаграмма состояния с химическим соединением ( на примере диаграммы Fе-С)

Графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке). Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. В серых чугунах графит существует обязательно. На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответсвующие точки обозначены штрихом. (Отметим, что обозначения фаз и точек на этой диаграмме подчиняются молчаливому международному соглашению.)

Цементит (Fe₃C) -- химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных услових:

· -- цементит первичный (выделяется из жидкости),

· -- цементит вторичный (выделяется из аустенита),

· -- цементит третичный (из феррита),

· -- цементит эвтектический и

· -- эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

12. Диаграмма Fе-С

Наибольший практический интерес представляет диаграмма сплава железа с углеродом.

Железо известно в двух модификациях, которые переходят при нагреве (охлаждении) одна в другую. Модификация б-железа (оцк) устойчива ниже температуры 911°С и выше температуры 1392°С. Иногда модификацию, устойчивую при температуре выше 1392°С, обозначают как д-железо. Модификация г-железа (гцк) устойчива в температурном интервале 911-1392°С.

Кривая охлаждения железа приведена на рис.2.7.

Кривая охлаждения чистого железа

В специальной литературе критическую точку перехода модификаций б>г (911°С) обозначают А3, точку перехода г>б (1392°С) - А4; точку перехода железа твердого в жидкое (1539°С) - А.

Железо б до температуры 768°С (критическая точка А2 или точка Кюри) ферромагнитно, а при более высокой температуре - парамагнитно.

Углерод - неметаллический элемент с температурой плавления 3500°C, растворяется как в жидком, так и в твердом железе. Твердый раствор внедрения углерода в б-железо называют ферритом (Ф). Различают низкотемпературный феррит с растворимостью углерода от 0,005% (при комнатной температуре) до 0,02% (при температуре 727°С), и высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода до 0,10%

Твердый раствор внедрения углерода в г-железо с растворимостью углерода от 0,8% (при температуре 727°С) до 2,14% (при температуре 1147°С) называют аустенитом (А).

Сплавы железа c углеродом, содержащие 2,14% углерода, называют сталью, а сплавы с большим содержащем углерода - чугуном. Сплавы с содержанием углерода до 0,020 называют техническим железом.

Углерод может образовывать с железом химическое соединение Fe3C (цементит, Ц) с температурой плавления 1550°С и содержанием углерода 6,67%.

Диаграмма состояния сплава железо-углерод представляется в двух формах - диаграмма состояния Fe-C и диаграмма состояния Fe- Fe3C .

Из диаграммы следует, что при кристаллизации жидкого сплава имеют место перитектическое (HJB), эвтектическое (точка С) и полиморфное превращения с образованием эвтектоида (точка S).

На диаграмме отмечены значения наибольшей растворимости углерода: точка Р - в б-железе (0,020%), точка Е - в г-железе (2,14%), точка Н - в д-железе (0,1%) и наименьшей растворимости в б-железе (0,020%) - точка Q.

Эвтектический сплав (точка С) называют ледобуритом (Л). Он представляет собой смесь кристаллов аустенита с цементитом и содержит 4,3% углерода. Составы сплавов, расположенных левее точки С, называют доэвтектическими, а правее - заэвтектическими.

Точка S отвечает полиморфному превращению, в результате которого образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом (П), в котором содержание углерода составляет 0,8%. Структура перлита - тонкие чередующиеся пластинки феррита и цементита (пластинчатый перлит). В отдельных случаях цементит может выделяться в виде зерен (зернистый перлит).