 |
Тема1.2 Диаграммы состояния металлов и сплавов
|
|
|
|
Студент должен:
Знать: классификацию сплавов и основные определения; диаграммы состояния сплавов; понятие о ликвидации; Диаграмму состояния Fe-Fe3C(железо-цементит), ее критические точки; классификацию железоуглеродистых сталей и сплавов.
Понятие о сплавах. Классификация и структура металлов и сплавов. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов. Физические и механические свойства сплавов равновесном состоянии.
Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей.
Литература: 1, с.29…38, 80…91; 2,с.51…65,118…131.
Методические указания
Перед тем как приступить к излучению диаграмм состояния, повторите термический анализ, построение кривых нагрева и охлаждения, так как диаграммы строят на основании опытных данных. Критические точки, то есть температуры, при которых происходят превращения в каждом сплаве, соединяют и получают критические линии, каждая точка которых показывает, при какой температуре происходит данное превращение в сплавах данной концентрации. Выпишите в конспект, что называется компонентом, фазой, системой, сплавом, а так же, что может быть фазой. Запомните, что сплав – это сложное тело.
Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, образующиеся после каждого превращения. В конспекте нужно указывать структуры в каждой области диаграммы и записывать, что они собой представляют.
|
|
|
Разбирая диаграмму состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии не растворяются друг в друге (свинец-сурьма, олово-цинк), нужно прежде всего четно разобрать, что собой представляет эвтектика. Она образуется в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь двух фаз. Так как обе фазы кристаллизуются одновременно, при одной и той же температуре, отдельные кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров и кристаллы обеих фаз представляют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплавов не зависит, и на диаграмме образование эвтектики характеризуется горизонтальной линией. Из правила отрезков(правила рычага) видно, что состав жидкого сплава при температуре окончательного затвердевания всегда
Одинаковый, значит, и состав эвтектики во всех сплавах один и тот же, количество же эвтектики в разных сплавах разное и так же определяется по правилу отрезков. Запомните, какие сплавы называются эвтектическими, до- и заэвтектическими.
Перед изучением диаграммы состояния сплавов, обладающих неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, разберите и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут быть в сплавах. Нужно запомнить, что твердые растворы – это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой одинаковые кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличии от сплавов с эвтектикой температура и начала, и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур. Поскольку вещества обладают неограниченной растворимостью, то ни в одном сплаве не будет кристаллов свободных компонентов, а все сплавы данной системы будут однофазными, и представлять собой твердый раствор. Разберите явление ликвации внутрикристаллической(дендритной), меры ее предупреждения и устранения.
|
|
|
Подавляющее большинство металлов обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, причем предел растворения уменьшается с уменьшением температуры(сплавы свинец-олово, медь-серебро, алюминий соединения CuAl2). В этих случаях эвтектика появляется только в тех сплавах, в которых концентрация растворимого компонента выше предела растворения. Разбирая эту диаграмму, особое внимание обратите на процессы, протекающие в твердом состоянии. В сплавах, у которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворения, после окончательного затвердевания структура представляет собой однородный твердый раствор. Уже в твердом состоянии в связи с уменьшение предела растворения при понижении температуры из твердого раствора начинает выделяться избыточная фаза. Например, в сплавах менее 5,67% меди при охлаждении ниже кривой растворимости начинает образовываться вторая фаза и при комнатной температуре сплавы получаются двухфазными. Запомните, что процессы кристаллизации из твердого состояния происходят по тем же законам, что и из жидкого, то есть путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста, поэтому для образования второй фазы охлаждение должно быть медленное. Следует иметь в виду, что продукты вторичной кристаллизации всегда меньше, чем первичной. Запишите, что у сплавов, у которых есть превращение в твердом состоянии, можно менять структуру, а значит, и свойства путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, то есть путем термической обработки.
Изучая систему сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (магний, кальций, цинк-магний),запомните, что можно рассматривать как состоящие из двух самостоятельных диаграмм, у которых вторым компонентом является химическое соединение. Эту диаграмму можно рассматривать в общем виде.
|
|
|
Физические, механические и технологические свойства сплавов зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграммами состояния сплавов и его свойствами, установленную Н. С. Курнаковым и А.А.Бочваров. зная эту зависимость, можно на научной основе разрабатывать новые материалы и выбирать способы изготовления изделий из разных сплавов.
Приступать к изучению диаграммы состояния железо-углерод можно только после того, как разработаны простые(двойные) диаграммы состояния. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Нужно как следует разобрать все превращения, протекающие в железоугреродистых сплавах при медленном охлаждении и получившиеся при этом структуры, особое внимание обращая на превращения в твердом состоянии.
В конспекте вычертите прежде всего диаграмму со стояния железо-цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содержание углерода. Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит в связи с аллотропическим превращением гамма-железа в альфа-железо. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (согласно правилу отрезков). Критические точки, образующие линию GS, принято обозначать при нагреве Ас3, а при охлаждении Аr3 . По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит в связи с уменьшением растворимости углерода в гамма-железе при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать Асm. по линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь- эвтектоид, так же как в равновесном состоянии гамма-железо при температуре ниже 7270 С существовать не может, а альфа-железо практически углерод не растворяет (точка Р). Критические точки, образующие линию PSK, при нагреве обозначают Ас1 ,а при охлаждении Аr1. Отметьте в конспекте, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит(линии GS и ES),зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре(7270С).
|
|
|
Нужно знать, что в простых железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре 7270С аустенит существовать не может, он распадается на перлит. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое – мелкая механическая смесь, но эвтектика-продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид - продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагреве и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Выберите любой сплав и на диаграмме через точку, соответствующую выбранному сплаву, проведите вертикаль в пределах выбранных температур. Затем укажите, что происходит в каждой критической точке данного сплава. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.
Изучая чугунную часть диаграммы, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых, и у серых чугунов, отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах графит имеет форму пластинок, металлическая основа может быть перлитной или ферритной.
Отвечая на вопросы контрольной работы по диаграмме железо-углерод, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех ее областях. Проведите вертикаль, отвечающую заданному сплаву, рядом с диаграммой вычертите кривую охлаждения данного сплава, укажите на ней температуры, соответствующие каждой критической точке, и опишите структурные превращения в каждой критической точке. Описывать нужно только превращения, которые происходят в заданном сплаве.
Вопросы для самоконтроля.
1. Объясните принцип построения диаграмм состояния.
2. В каких сплавах образуется эвтектика и что она собой представляет?
|
|
|
3. Нарисуйте кривую охлаждения сплава, содержащего 5% свинца и 95%сурьмы.
4. Что называется твердым раствором? Какие твердые растворы могут быть в сплавах?
5. Почему в сплавах с ограниченной растворимостью происходят превращения в твердом состоянии?
6. Пользуясь диаграммой свинец- олово (или медь- серебро, или медь - алюминий), укажите в каких сплавах можно изменить структуру при комнатной температуре путем изменения скорости охлаждения.
7. Что называется ликвацией? Какие виды могут быть в сплавах?
8. Какое практическое занятие имеют диаграммы состав- свойства?
9. Пользуясь диаграммой железо – цементит, постройте кривую охлаждения сплава, содержащего 1,3% углерода, и укажите превращения, протекающие в сплаве при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры.
10. Какая сталь называется эвтектоидной, до- и заэвтектоидной?
11. Пользуясь диаграммой железо- цементит,укажите структуру стали, содержащей 0,5% углерода, при 1000, 800 и 650 0С.
12. Какая разница между эвтектикой и эвтектоидом? Из каких фаз они состоят в железоуглеродистых сплавах?
13. Какие структуры называются аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит?
14. Сколько углерода растворяется в аустените и феррите при 727 0С?
15. Какие превращения происходят в белом чугуне, содержащем 3,0% углерода, при медленном охлаждении от 1500 0С до 200С?
16. Почему в железоуглеродистых сплавах происходят превращения в твердом состоянии?
|
|
|
