Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

этого компонента, и β с атомной решеткой компонента В.

Предельная концентрация компонента А в фазе β определяется линией F Q , и эта концентрация не изменяется или изменяется так мало, что при выбранном масштабе это не отмечается.

Твердый раствор компонента В в компоненте А является твердым раствором не только ограниченной, но и переменной растворимости. Линия ЕР — это линия растворимости, которая определяет равновесное содержание растворенного компонента при изменении температуры. Максимальное содержание компонента В в α-фазе определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р.

Рассмотрим превращения сплава I состава х1. После полного затвердевания в точке 2 кристаллы имеют состав х1 и сохраняют его до точки 3. При дальнейшем охлаждении концентрация компонента В в твердом растворе уменьшается до состава, соответствующего точке Р.

Для данного сплава можно определить фазовое состояние при любой заданной температуре, например, при t1. Используя правило определения состава фаз, через точку т проводим горизонтальную линию до пересечения с ближайшими линиями диаграммы состояния ЕР и FQ; проекции точек пересечения а и b на ось концентрации укажут состав фаз. Твердый раствор а имеет состав, соответствующий ха, а твердый раствор β-состав, соответствующий Q. Количественное соотношение β- и α-фаз при t1 будет определяться соответственно отрезками am и тb1 (в масштабе всего отрезка аb1).

По мере уменьшения концентрации в твердом растворе компонент В выпадает в виде твердого раствора β состава, соответствующего Q. Выпадающие кристаллы твердого раствора β называют вторичными и обозначают βI I ; этим подчеркивают, что они выпали из твердого раствора, а не

обогащается компонентом В. В связи с этим охлаждение до температуры точки 5 приводит к образованию в сплаве двух фаз определенного состава αE + ЖC. Количество жидкой фазы выражается отрезком 5Е, а количество твердой фазы — отрезком 5С.

При температуре точки 5 (эвтектическая температура) жидкая часть сплава превратится в эвтектику. При дальнейшем охлаждении доэвтектического сплава будет происходить изменение концентрации α- фазы, не только находящейся в эвтектике, но и первоначально выделившейся при охлаждении в интервале температур между точками 4 - 5 по линии ЕР.

Конечная структура доэвтектического сплава показана на рис. 4.5, б. Для заэвтектического сплава IV кристаллизация в интервале темпе-

ратур точек 6-7 сопровождается выделением β-фазы, богатой компонентом В, что приводит к обеднению жидкого раствора этим элементом.

Состав выделяющихся кристаллов β изменяется от точки 6' до точки F, а состав жидкой фазы — от точки 6 до точки С.

При охлаждении до температуры точки 7 фазовый состав будет ЖC + βF ; при этом количество β-фазы определится отрезком С 7, а жидкой фазы — отрезком 7F. При температуре точки 7 жидкая часть сплава превратится в эвтектику (αE+ βF). Конечная структура такого сплава показана на рис. 4.5, г.

Все сплавы состава от точки Е до точки F содержат структурную составляющую эвтектику, количество которой тем больше, чем ближе состав сплава к эвтектическому.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, КОМПОНЕНТЫ КОТОРЫХ ОГРАНИЧЕННО РАСТВОРИМЫ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ И ОБРАЗУЮТ ПЕРИТЕКТИКУ

В сплавах с содержанием компонента В меньше хC (рис. 4.6) либо больше хF кристаллизация приводит к образованию однофазных сплавов α и β соответственно.

Сплав II называют перитектическим. После предварительного выделения β-кристал-лов из жидкой фазы сплав при температуре tП испытывает пе-ритектическое превращение, в результате которого жидкая фаза ЖD и твердая фаза βF, взаимодействуя между собой, образуют новую твердую фазу αC.

ЖD + β F ↔ αC. Количество фаз ЖD и β F, необходимое для образования фазы αC, определяется соотношением отрезков

ЖD / βF = FC/CD.

Подсчет числа степеней свободы при температуре t1 и температуре перитектической реакции tп дает соответственно следующие значения:

С= K + 1-Ф = 2+2=1;

С= K +1-Ф=2+1-3=0.

Следовательно, кристаллизация в двухфазной области протекает в интервале температур. При этом каждой температуре соответствует определенная концентрация фаз (при 1\ фазовый состав характеризуется точками ха и хb). При перитектическом превращении в результате взаимодействия жидкого раствора с твердой фазой образуется новая твердая фаза.

В сплавах до- и заперитектических при температуре перитектической реакции имеет место избыток жидкой фазы или β-фазы соответственно. В связи с этим в заперитектических сплавах (сплав III) перитектическая реакция заканчивается также образованием новой α-фазы, но остается избыток β -фазы:

жd + βF → ас + βF

В результате сплав приобретает структуру смеси, состоящей из кристаллов двух типов ас и β F (рис. 4.7). Получающиеся смеси при перитектическом превращении характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (β-фаза), окружена фазой, выделившейся позднее1. Кроме того, количественное соотношение фаз в такой смеси переменно: чем ближе состав сплава к перитектическому, тем в нем больше фазы ас-

Для доперитектических сплавов (сплав /) перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию сплава, так как наряду с вновь образовавшейся фазой ас сохраняется жидкая фаза:

жd + βF→ ас+ жd(ост)

В интервале температур точек 2 - 3 из оставшейся жидкой фазы выделяются кристаллы а-фазы. Полное затвердевание сплава произойдет в точке 3, причем структура сплава будет однофазная, где трудно отличить кристаллы ас, образовавшиеся при перитектической реакции, от кристаллов а, образовавшихся непосредственным выделением из жидкого раствора.

Рис. 4.9. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Свойства сплава в значительной степени определяются фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния. Впервые на связь между видом диаграммы и свойствами указал Н.С. Курнаков.

Для систем, образующих непрерывные твердые растворы, зависимость свойств от состава фаз изображается кривыми, а для двухфазных смесей прямыми линиями (рис. 4.10). Эти закономерности указывают на то, что у твердых растворов такие свойства, как твердость НВ, удельное электросопротивление и другие, всегда превосходят аналогичные свойства исходных компонентов.

Упрочнение при сохранении пластичности твердых растворов используют на практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве 2 %) прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10 %. Растворение алюминия (в количестве 5 %) в меди повышает прочность сплава в 2 раза, а пластичность остается на уровне пластичности меди. Твердые растворы обладают и другими уникальными физическими и химическими свойствами. При растворении Ni (в количестве

30 %) в железе теряются ферромагнитные свойства при температурах 20 — 25 ° С; раствор, содержащий более 13 % Сг, делает железо коррозионностойким. В связи с этим твердые растворы получили широкое применение не только как конструкционные материалы, но и как материалы с особыми физическими свойствами.

Большой практический интерес представляют технологические свойства твердых растворов.

Сплавы в состоянии твердых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно — резанием. Литейные свойства твердых растворов, как правило, неудовлетворительные. Наилучшей жидкотекучеетью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твердостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).

Закономерности, отмеченные Н.С. Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами, однако относятся они к сплавам в равновесном состоянии, поэтому применение их ограничено.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fе - С. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fе - Fe3С (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системеFe - С (рис. 4.11).

На то, что система Fе - С является более стабильной, чем система Fе - Без С, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т.е. переходит в более стабильное состояние.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Железо и углерод — элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539 ° С имеет две модификации — α и γ. Модификация Fеа существует при температурах до 911 ° С и от 1392 до 1539° С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20-25° С). Важной особенностью Fеа является его ферромагнетизм ниже температуры 768 ° С, называемой ТОЧКОЙ

КЮРИ.

Модификация Fе7 существует в интервале температур от 911 до 1392° С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911 ° С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fеа —>F е7 объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Fе7 парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов.)

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

ФЕРРИТ (обозначают Ф или А) — твердый раствор внедрения углерода в Fеа. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном — 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fеа обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться

углерода в Fе7. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fеγ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200 НВ) при 20 - 25° С.

ЦЕМЕНТИТ (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного состава) Fе3 С, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210° С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260° С.

ГРАФИТ — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ Фазовый состав

Диаграмма состояния Ге - ГезС (см. рис. 4.11) характеризует фазовый состав и превращения в системе Ре - ГезС. Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице

Таблица 4-1 - Х а р а к т е р н ы е т о ч к и д и а г р а м м ы

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а D — температуру плавления цементита. Точки N И G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fе - FезС происходят как при за-