Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по дисциплине:

"Материаловедение"

На тему: "Двойные и тройные диаграммы состояния материала"

Содержание

• Часть І. Двойная диаграмма состояния сплавов для компонентов А и В
• Часть ІІ. Диаграмма состояния Fe-C_гр.
• Литература

Часть І. Двойная диаграмма состояния сплавов для компонентов А и В

Диаграмма состояния для сплавов компоненты, которых образуют перетектику, химическое превращение и нонвариантное монотектическое равновесие.

Компонентами являются компонент А и компонент В, которые образуют ограниченные твердые растворы б, в.

Точки и линии на диаграмме:

т. А - температура плавления чистого компонента А;

т. B - температура плавления чистого компонента В;

Линия ABCELN - линия ликвидус, все точки лежащие на этой линии соответствуют температуре начала кристаллизации, выше этой линии расположена однофазная область - жидкость.

линия АMQ - из жидкости начинает кристаллизоваться твердый раствор б;

линия FS - из жидкости начинает кристаллизоваться твердый раствор в;

Линия AMBWGFN - линия солидус, линия температур конца кристаллизации.

Рассмотрим диаграмму состояния для сплавов компоненты, которых образуют перитектику.

Линия ABC - линия перитектических превращений:

Ж_A+б_{M N}

Часть диаграммы с нонвариантным монотектическим равновесием - равновесие жидкости состава т. G с другой жидкостью состава т. D и кристаллами твердой фазы.

По линии DKG происходят монотектическим равновесием:

Ж_G в_H +Ж_D

Под бинодалью DKG происходит расслоение Ж' и Ж''.

Химический состав Ж' изменяется по линии CK, а Ж''-по линии KE.

По линии CDE наблюдается нонвариантное монотектическое равновесие, а т. G называется монотектической точкой.

Построение кривых охлаждения и нагревания

Для построения кривой охлаждения (50% А и 70% В) воспользуемся правилом фаз Гиббса.

С=К-Ф+В

С - степень свободы;

К - количество компонентов;

Ф - количество фаз;

В - внешние факторы (P=const) В=1.

Тогда формула имеет вид:

С=К-Ф+1

Степень свободы определяется числом независимых переменных, которые можно изменять в определенных пределах не нарушая равновесия системы.

С₁=2-2+1=1 - процесс протекает при переменной температуре, значит можно изменять один фактор-температуру, не нарушая равновесия системы. На кривой охлаждения будет перегиб, соответствующий выделению теплоты кристаллизации. Фазами в т.1 являются Ж; в.

С₂=2-3+1=0 - нонвариантное монотектическое превращение Ж_C +Ж_E AmBn, происходит при постоянной температуре, за счет скрытого выделения тепла. На кривой охлаждения площадка. Фазами в т.2 являются Ж_C; в; Ж_E.

С₃=2-3+1=0 - нонвариантное перитектическое превращение Ж_C+_{F N}, происходит при постоянной температуре, за счет скрытого выделения тепла. На кривой охлаждения площадка. Фазами в т.3 являются Ж; в; .

Для построения кривой нагревания сплава также воспользуемся правилом фаз Гиббса.

С₄=2-2+1=1 - идет выделение твердого раствора в. Фазами в т.4 являются в; б.

С₃=2-3+1=0 - начало плавления твердого раствора б. Фазами в т.3 являются Ж; б.

С₂=2-3+1=0 - нонвариантный процесс в_N Ж_C+б_F. На кривой нагревания будет площадка.

С₁=2-2+1=1 - плавление твердого раствора в и полный переход данного сплава в жидкое состояние. Фазами в т.1 являются Ж; в.

Правило отрезков

С помощью правила отрезков можно определить относительные количественные доли (проценты) равновесных фаз при любой температуре в интервале кристаллизации. Это правило можно применять не только к кристаллизирующимся сплавам - растворам, но и вообще к любым двухфазным сплавам независимо от хим. состава (т.е. числа компонентов), агрегатного состояния и природы равновесных фаз. Необходимым условием применения этого правила является знание составов равновесных фаз в сплаве, т.е. знания положения всех точек на каноде.

Для определения количественного состава фаз провожу каноду через заданную точку, которая характеризует состав сплава, до пересечения с линиями, которые ограничивают данную область, проекции точек пересечения на ось концентраций укажут на состав фаз. Для определения количественного соотношения фаз необходимо провести каноду через точку между линиями ликвидус и солидус до пересечения с линиями, которые ограничивают данный сплав. Отрезки обратно пропорциональны определяемым частям сплава.

Для сплава состав твердой фазы в т. a 45%A и 55%B, а состав 52.5%A и 47.5%B. Нахожу процентное соотношение жидкой и твердой фаз для данного сплава в т. a:

Часть ІІ. Диаграмма состояния Fe-C_гр.

Задание

1. Описать компоненты, фазы и структуры диаграммы состояния Fe-C_гр.

2. Описать структурно-фазовые зоны и превращения, происходящие по диаграмме состояния Fe-C_гр.

3. Согласно задания построить кривую охлаждения и нагревания. Описать превращения, происходящие на всех участках кривых. Подтвердить правильность построения, правилом фаз Гиббса. Определить классификационную группу заданных сплавов.

4. Изобразить схемы структур заданных сплавов при нормальных условиях.

Кривая охлаждения С=0.001%.

Кривая нагревания С=2.3%.

Описание компонентов, фаз и структур

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо - переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления - 1600^o С 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой A₃, а температуру 1392^o С превращения - точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше - парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности - , предел текучести - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение - , а относительное сужение - ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 ⁰С, плотность - 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C_гр.) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферримагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа - металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо - цементит существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727^o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности - ) и пластичен (относительное удлинение - ), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А) (С) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение - ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит - характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и форме этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении - вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Описание фазовых зон и превращений по линиям диаграммы

Линия АВСD - ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (д), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD - кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF - линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (д). На линии HJB при постоянной температуре 1499єС идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (д), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147єC идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита:

Эвтектика системы железо - цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727єС в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

состояние материал диаграмма фаза

По линии HN начинается превращение феррита (д) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (д) в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии PSK при постоянной температуре 736єС идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение графита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А1 - линия PSK (736єС) - превращение П-А;

A3 - линия GS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф-А;

A4 - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение А-Ф (д);

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения графита вторичного.

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т. е А_С1, при охлаждении - букву r, т.е. А_r1.

Превращения кривой охлаждения сечения I - I

Заданный сплав (С=0.001%) относится к доэвтектоидным сталям.

При температуре выше точки 1 находится равновесный жидкий сплав, при понижении температуры будет происходить физическое охлаждение данного сплава.

На участке 1-2: С1=2-2+1=1 одновариантное превращение, т.е. можно изменить только один фактор (температуру), не нарушая равновесия системы. На данном участке из жидкой части сплава выделяется феррит. За счет скрытого выделения тепла на графике будет перегиб.

На участке 2-3: С2=2-2+1=1 одновариантное превращение, т.е. можно изменить только один фактор (температуру), не нарушая равновесия системы. На данном участке из жидкой части сплава выделяется феррит. За счет скрытого выделения тепла на графике будет перегиб.

На участке 3-4: С3=2-1+1=2 физический процесс охлаждения аустенита.

На участке 4-5: С4=2-2+1=1 - происходит выделение по границам зерен аустенита феррита за счет изменения растворимости в зависимости от температуры. На графике будет перегиб.

На участке 5-5': С5=2-2+1= 1 нонвариантное эвтектоидное превращение происходящее при постоянной температуре.

Ниже участка 5 происходит физический процесс охлаждения сплава.

Превращения кривой нагревания сечения II - II

(С=2,3%)

На участке 1-1': происходит превращение обратное эвтектоидному.

Ф+Гр А

На участке 1'-2: графит растворяется в аустените.

На участке 2-2': происходит превращение обратное эвтектическому.

А+Гр Ж

На участке 2'-3: аустенит растворяется в жидкости.

Выше точки 3 - равновесный жидкий сплав.

Литература

1. Бялик О.М. и др. М54 Металознавство: Учебник / О.М. Бялик, В.С. Черненко, В.М. Писаренко, Ю.Н. Москаленко. - К.: ИВЦ "Политехника", 2001. - 375с.: ил.

2. А.П. Гуляев "Металоведение". Издательство "Металургия", 1977. - 646 с.: ил.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение.М., "Машиностроение" 1972, 510 ст.

Размещено на Allbest.ru