Что называется фазой компонентом сплавом

Понятие сплав. Компоненты сплава. Фазы и структурные составляющие

Сплав – вещество, полученное сплавлением нескольких элементов. Другими словами, сплав – это твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из 2-х и более химических элементов. Состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплавлегирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).

Компонент – элемент или химическое соединение, входящее в состав сплава (элементы или химические соединения, образующие сплав). Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими.

Фазовая составляющая (фаза) – однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела (при переходе через которую химический состав, структура, а, следовательно, свойства меняются скачкообразно).

Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).

В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

Цементит – карбид железа Fe₃C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ–Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170. 220.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160. 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

1. В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.

Источник

Сплавы. Основные понятия и термины

10. Сплавы. Основные понятия и термины: сплав, компонент, фаза, структура, равновесное и неравновесное состояния.

Сплавы – это вещества, состоящие из двух или более элементов периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент – вещество, образующее сплав. Фаза – пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решётку и свои свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные – несколько фаз. Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства. Равновесное состояние – когда в сплаве все фазы, присущие этой системе оформлены. Это состояние обеспечивается при медленном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз. Неравновесное состояние – процесс образования и обособления фаз не закончился, образуется при быстром охлаждении.

11. Сплавы. Классификация сплавов. Зависимость структуры сплава от положения компонентов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Химические соединения, твёрдые растворы, смеси (механические). Если оба компонента теряют свою кристаллическую решётку, и у сплава образуется новая решётка, то это хим. соединение. Если один из компонентов сохраняет кристаллическую решётку, а другие её теряют, такие сплавы наз. твёрдыми растворами. Если оба компонента сохраняют кристаллическую решётку и свойства, то сплавы называются смесями. Хим. соединения: металлы обладают восстановительными свойствами, а неметаллы – окислительными. Сплавы: стали, чугуны, медные, алюминиевые, магниевые, титановые, оловянистые и свинцовые сплавы.

12. Диаграммы состояния двойных сплавов (основные типы). Закономерности Н.С. Курнакова.

Диаграмма состояния сплавов показывает фазовое или структурное состояние в зависимости от сплавов. Процесс кристаллизации начинается на линии ликвидус и заканчивается на солидус. Свойства сплавов твёрдых растворов изменяются по параболической зависимости при добавлении второго компонента.

Оба компонента имеют разную химическую природу.

13. Диаграммы состояния сплавов. Правило отрезков.

Для определения состава твёрдой и жидкой фазы какой-то точки необходимо провести коноду. Для определения количественного состава фаз в сплаве нужно брать отрезки на коноде обратно расположению фаз на диаграмме. Qα относится так к Qспл, что Qα/Qспл = lk/ls, а Qж/Qспл = ks/ls.

14. Сплавы. Деформируемые и литейные сплавы. Особенности строения и свойства.

Литейный сплав в твёрдом состоянии хрупок, происходит разрушении в условиях растяжения или изгиба (ударного). Деформируемый сплав пластичен.

Напряжение σ = P/F0, P – действующая нагрузка, F0 – площадь образца, которую он имеет в начале испытания на растяжение. Важнейшая характеристика: σВ – предел прочности при растяжении, что соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. σВ – сопротивление большой пластической деформации. Чем больше энергия атомов, тем выше σВ. Структура с мелким зерном прочнее, чем структура с крупным.

σТ – предел текучести, для пластичных материалов σТ ≈ 0,5σВ. Условный предел текучести σ0,2 = 0,5-0,7 σВ. HB – твёрдость по Бринелю, характеризует сопротивление металла большой пластической деформации в условиях сжатия. P = 3000 кг, диаметр шарика = 10 мм. HB = P/Fотп [кгс/мм2]. Чем выше HB, тем труднее изготавливать детали. Линейная зависимость: σВ ≈ HB/3. Пластичность определяется в испытаниях на растяжение. lн – начальная длина образца, lк – конечная. Относительное удлинение σ% = (lк-lн)/lн·100%. Это характеристика надёжности материала. Относительное сужение ψ% = (dк-dн)/dн·100%, d – диаметр образца. Ударная вязкость – хар-ка, показывающая сопротивление материала к динамическим нагрузкам. Ударная вязкость aн = (P·H-P·h)/S [кгс/мм2]. Модуль Юнга E (нормальной упругости) показывает связь между нагрузкой и деформацией. Чем жёстче материал, тем выше E. EFe = 20000 кгс/мм2.

15. Способы упрочнения сплавов.

Наклёп – упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация – упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном превращении. Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

16. Деформация упругая и пластическая. Упрочнения металлов при пластической деформации.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в крист. решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещённая часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Наклёп. Перекристаллизация. Дисперсионное твердение.

17. Холодная и горячая пластические деформации. Условия деформирования. Влияние на структуру и свойства металлов и сплавов.

Если пластическая деформация осуществляется при температуре выше Tр, то наклёпа нет. Эта деформация называется горячей пластической деформацией. Холодная пластическая деформация (давление) происходит при температуре ниже Tр, возникает упрочнение.

18. Рекристаллизация сплавов, влияние на структуру и свойства. Температура рекристаллизации по А.А. Бочвару.

Рекристаллизация – возвращение свойств в первоначальное состояние в процессе нагрева наклёпанного металла. Процессы: уменьшение количества дефектов, рост зерна (до исходного). А.А. Бочвар показал: Tр = a·TплК (в Кельвинах). Чем выше Tпл, тем выше Tр. Вольфрам, молибден – самые тугоплавкие Me. Если чистый Me – a ≈ 0,2, механические смеси – a ≈ 0,4, твёрдые растворы – a ≈ 0,6, химические соединения – a ≈ 0,8.

19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства.

Бездиффузионные характеризуются перемещением атомов в пределах элементарной ячейки крист. решётки, высокой скоростью. Диффузионные превращения характеризуются перемещением атомов на большие расстояния. Они ускоряются с повышением температуры. К таким процессам относят частичный расплав твёрдого раствора α1 → α2 +β.

Источник

Фазы в металлических сплавах.

Основные понятия и определения теории сплавов.

Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.

Сплавы могут быть получены сплавлением исходных компонентов, их спеканием, электролизом, возгонкой и другими способами. При этом свойства полученного сплава в значительной мере будут зависеть от его структуры.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

· Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз;

· Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса:

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:

С – число степеней свободы; К – число компонентов; Ф – число фаз; 1,2 – учитывает возможность изменения температуры.

Фазы в металлических сплавах.

Сплавы в зависимости от взаимодействия компонентов подразделяются на:

· смеси зерен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;

· растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;

· химические соединения компонентов.

Твердый раствор – фаза, к которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (другие) компонент располагается в решетке растворителя, изменяя ее размеры. Различают следующие виды твердых растворов – твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.

Рисунок 1. Расположение атомов в твердых растворах: а – замещения, б – внедрения (○ – атом компонента растворителя, ● – атом растворенного компонента).

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (Рис.1 а).

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента размещаются между атомами растворителя (Рис.1 б).

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента (Рис.2).

Рисунок 2. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения.

Твердый раствор состоит из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Примерами твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы внедрения углерода в железо.

Механическая смесь (рис. 3) образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Рисунок 3. Схема микроструктуры механической смеси.

Свойства механической смеси определяются количественным соотношением входящих в неё кристаллов компонентов. Сплавы механические смеси имеют хорошие литейные свойства.

Сплавы химические соединения образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными.

Особенности сплавов химические соединения:

· постоянство состава, т.е. сплав образуется при определенном соотношении компонентов;

· образуется специфическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение (Рис. 4);

· ярко выражены индивидуальные свойства;

Рисунок 4. Кристаллическая решетка химического соединения.

Химическим соединениям, находящимся в сплавах, свойственны повышенная твердость, хрупкость и постоянная температура плавления.

Кроме растворов и химических соединений возможно образование таких фаз, которые не могут быть полностью отнесены к перечисленным и являются промежуточными фазами.

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 12165 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Понятие о сплавах. Фазы металлических сплавов.

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Характеристика основных фаз в сплавах

Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами обычно называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройныеи т. д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.

В сплавах возможно образование следующих фаз:

1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы. В твердом состоянии компоненты могут образовывать:

1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз; 2) химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.

Механические смеси

Химические соединения

К химическим соединениям металлов с неметаллами относят фазы с ионным типом связи и фазы внедрения.

Фазы с ионным типом связи образуются в тех случаях, когда атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом неметалла (например, кислорода, серы) принимает их на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В такой кристаллической решетке элементы удерживаются электростатическими силами. Химические соединения этой группы имеют строго стехиометрический состав, их формулы определяются валентностью составляющих элементов. В структуре сплавов они находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д. Например, оксид марганца МnО, карбид железа Fe3C и др.

К P-соединениям с электронной концентрацией N1 = 3/2, обычно имеющим ОЦК решетку, относятся соединения CuZn, CuBe, Cu3Al и др. Например, для соединения CuZn N. = (1-1 + + 2 • 1)/(1 + 1) = 3/2.

К у-соединениям с электронной концентрацией 21/13 и сложной кубической решеткой относятся Cu5Zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21. Для соединения Cu5Zng N2 = (1 • 5 + 2 • 8)/(5 + 8) = 21/13.

Электронные соединения характерны для сплавов на меднойоснове (латуней и бронз), где они являются упрочняющими фазами.

Фазы Лавеса имеют формулу АВ2. Они образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. К фазам Лавеса относятся соединения TiFe2, TiCr2, MoFe2, NbFe2, TiCo2, присутствующие в ряде жаропрочных сплавов и способствующие их упрочнению. Они имеют гексагональную плотноупакованную или гранецентрированную кубическую решетку.

Образование кристаллов о-фазы сопровождается увеличением твердости и резким охрупчиванием коррозионностойкихсталей.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 1, а).

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве составляют целые числа: 1:1, 1:2, 1:3

Рис. 1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Рис. 2. Размещение атомов в кристаллической решетке твердых растворов:

и т. д. Такой сплав с упорядоченной структурой можно характеризовать формулой химического соединения, например CuAu или Cu3Au.

Упорядоченные твердые растворы характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью и могут рассматриваться как промежуточные фазы между неупорядоченными твердыми растворами и химическими соединениями.

В связи с различием в размерах атомов, при замещении атомов одного компонента атомами другого компонента происходит искажение кристаллической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строенииих кристаллических решеток. При чрезмерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8-15 %, то возможна неограниченная растворимость.

Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах AR, как Ag и Au (AR = 0,2 %), Ni и Си (AR = 2,7 %) и др., а также металлы с ОЦК решеткой: Мо и W (AR = 9,9 %), V и Ті (AR = 2 %). Металлы с большим атомным диаметром (Na, Са, РЬ) в Fe, Си, Ni нерастворимы.

Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов. Одновалентные металлы полностью растворяются только в одновалентных: Cu-Ag, Ag-Au, Cu-Ni.

Ограниченная растворимость компонентов наступает при достижении критической величины электронной концентрации в

твердом растворе N, где электронная концентрация — это количество валентных электронов на атом. Для ОЦК решетки N = 1,36, для ГЦК решетки N = 1,40. Если электронная концентрация превышает эти значения, то образуется новая фаза с другой кристаллической решеткой.

Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением.

Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N, Н, О). Концентрация второго компонента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже, чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя, в то время как химические соединения образуют решетку, отличающуюся от решетки металла.

Источник

Понятие о сплавах

Сплав – это вещество, полученное сплавлением, спеканием, электролизом, возгонкой двух или более элементов. Сплав, приготовленный из металлов или имеющий металлическую основу и обладающий металлическими свойствами называется металлическим сплавом (МС). МС более сложное вещество, чем чистый металл, МС обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. Им часто придаются специфические свойства. Поэтому они получили более широкое применение.

Характер взаимодействия компонентов в сплавах зависит от их положения в таблице Менделеева, особенностей строения атомов, их электронных оболочек, типов и параметров решёток, соотношения температур плавления, их атомных диаметров, растворимости друг в друге и других факторов. МС может быть: а) механической смесью, б) химическим соединением, в) раствором элементов друг в друге с неограниченной или ограниченной растворимостью, а также их промежуточными смесями.

Механическая смесь двух и более компонентов возможна тогда, когда металлы (вещества, элементы) не растворимы в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Рентгенограмма показывает наличие двух решёток компонентов А и Б, что соответствует чистым металлам. Механические свойства соответствуют и зависят от количества компонентов А и Б.

Химическое соединение (ХС). При образовании ХС достигается следующее:

— соотношение атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции А_m × В_n ;

— образуется новая отличная от элементов кристаллическая решётка с упорядоченным расположением атомов;

— ХС характеризуется определёнными физическими свойствами (температура плавления, удельный вес, электро- и теплопроводность, мехсвойства, запах, вкус, ковкость, пластичность и т.д.).

Если ХС образуется металлами, то в углах решётки располагаются атомы (ионы), между ними электронный газ. К таким элементам относятся Cu₂MnSn, CuAl₂, CuAu, CuAg и т.п. Связи жёсткие, химические соединения образуются без учёта валентности.

При образовании химсоединения металла с неметаллом возникает ионная связь. Элементы удерживаются электронным притяжением (NaCl, KMnO₄ и т.д.)

В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляют однородные жидкие растворы. При переходе в твёрдое состояние однородность сохраняется, сохраняется и растворимость. Рентгеновский анализ обнаруживает только один тип решётки. В отличие от механических смесей твёрдый раствор является однофазным. В отличие от химического соединения твёрдый раствор существует не при строго определённом соотношении компонентов, а в интервале концентрации. Различают твёрдые растворы замещения и внедрения. Замещают металлы друг друга, заменяя в узлах решётки. Внедряются в металл обычно элементы с малым диаметром атома (C, H, N и др.). С образованием твёрдых растворов внедрения периоды решётки увеличиваются.

Замечено, что неограниченная растворимость наблюдается у элементов относительно близко расположенных друг от друга в периодической системе. Если элементы расположены друг от друга далеко и имеют различную физическую природу, то они чаще всего склонны к образованию химических соединений, а не твёрдых растворов.

Химические соединения могут также образовывать растворы замещения, растворять другие атомы. Например, борид железа (Fe₄B₂) способен растворять хром, углерод.

Электронные соединения могут образовывать металлы следующих групп: Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Pd, Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si

Электронные соединения встречаются в важнейших сплавах: Cu-Zn; Cu-Sn; Fe-Al; Cu-Si; Al-Si; Cu-Al и т.д. Обычно в системе наблюдаются три фазы (β, γ, ε). Электронные соединения промежуточные между хим. соединениями и твёрдым раствором.

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фаз и структур в зависимости от температуры, давления и концентрации элементов.

Фаза – это однородная часть системы, отделённая от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую изменяется состав, часто решётка, структура скачкообразно.

Компоненты – вещества, образующие систему.

Состояние одного компонента – прямая линия; диаграмма состояния 2-х компонентов системы – плоская фигура (на оси ординат откладывается t 0 С, на оси абсцисс – концентрация элементов); 3-х компонентная система – пространственная фигура с основанием в виде треугольника и т.д.

Линия начала кристаллизации называется точкой ликвидуса, конец кристаллизации – точка солидуса.

Имеются следующие диаграммы:

В доэвтектических сплавах содержится компонент А совместно с эвтектикой (АВ), в заэвтектических содержится компонент В с эвтектикой (АВ).

а – диаграмма состояния; б – схемы получающихся структур

Рисунок 22 – Диаграмма состояния I рода и схемы получающихся структур

а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

Рисунок 23 – Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твёрдом и жидком состоянии

в) диаграмма состояния 3-го рода описывает сплавы с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии, не образующих химическое соединение. На рисунке 24 изображена диаграмма с эвтектикой, на рисунке 25 – с перитектикой. Перитектическая реакция ж+ .

а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

Рисунок 24– Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

Рисунок 25 – Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и испытывающих перитектическое превращение

Ограниченная растворимость наиболее часто встречается в металлических сплавах. Линия а-с-в ликвидус, линия a-d-c-e-в – солидус. Выше “acв” расположена жидкость, между “асв” и “adceв” – жидкость и кристаллы — фазы, жидкость и кристаллы — фазы. В точке С образуется эвтектика – сплав и фаз с самой низкой температурой плавления. Ниже “adcев” находятся твёрдые фазы. В области a-d-f находится фаза в твёрдом состоянии. Точка d характеризует предельную (максимальную) растворимость компонента B в А при температуре образования эвтектики. Линия “d-f” – характеризует изменение концентрации компонента B в А в зависимости от изменения температуры точки “e”

20 0 С) начинает распадаться с выделением дисперсных частиц избыточной фазы 2. Распад пересыщенного твёрдого раствора, полученного при закалке, называется старением для цветных металлов и отпуском для чёрных металлов, если их нагревают до определённых температур. Выделение упрочняющей фазы ( 2) сопровождается разупрочнением сплава. Термическая обработка, вызывающая полное выделение упрочняющей фазы и разупрочнение, называется отжигом. Избыточная фаза 2 чаще всего бывает химическим соединением. Правее линии “е-к” происходят подобные процессы, но получают пересыщенный раствор 2 в — фазе. Эвтектические сплавы хорошо льются, т.к. имеют самую низкую температуру плавления, но хуже обрабатываются давлением.

Сплавы, расположенные левее точки d однофазные и лучше обрабатываются давлением, хуже льются.

При кристаллизации часто наблюдается разность химсостава по сечению литой заготовки. Этот процесс называется ликвацией.

Разберём коротко диаграмму с перетектикой (рис.25). Точка d характеризует максимальную растворимость компонента B в A, а точка “e”- предельную растворимость A в B. Линия “CDE” – линия перетектического превращения. При эвтектическом превращении кристаллизуется сразу 2 фазы, при перетектическом превращении кристаллизуется одна фаза из ранее выпавшей твёрдой фазы и жидкости. Из жидкого раствора правее точки d из жидкой фазы в начале выделяется фаза. При достижении температуры t_n в равновесии находится жидкость и кристаллы состава точки “e”. — кристаллы образуются при перетектической реакции _е+ж_с+ _{е d}.

Неизрасходованная часть жидкости и кристаллы превращаются ж_с+ _{е d}+ _е

Кристаллизация сплавов по “c-d” происходит по формуле ж_с+ _е ж_с+ _d

г) диаграмма состояния сплава, образующего устойчивое химическое соединение (рис. 26) А_m × Вn. Устойчивых соединений может быть 1,2,3…

Рисунок 26 ­– Диаграмма состояния IV рода

д) диаграмма состояния с неустойчивым химическим соединением представлена на рисунке 27. На линии d-c-t в равновесии находится три фазы: Ж_д+кристаллы компонента В и кристаллы химсоединения An B_m. Выше линии DCF происходит An B_m L+B, ниже происходит реакция L_Д +В An B_m.

Рисунок 27 – Диаграмма состояния с неустойчивым химическим соединением

Рисунок 28 – Диаграммы состояния с полиморфными превращениями

Перечисленные выше диаграммы равновесные, т.е. выполнены при малых скоростях охлаждения. Изучив теоретическую кристаллизацию, можно рассматривать неравновесные условия, когда могут не происходить диффузионные процессы при различных переохлаждениях.

В реальных условиях первые кристаллы имеют большую концентрацию тугоплавкого компонента. Последующие кристаллы самые легкоплавкие. Это явление называется ликвацией. Она может быть уменьшена длительным диффузным отжигом или обработкой давлением.

Неравновесная кристаллизация происходит при большом переохлаждении. Чем больше переохлаждение, тем мельче будут вторичные кристаллы, тем напряжённей и неустойчивее система. Получается пересыщенный раствор одного компонента в другом – мартенсит, который прочен, твёрд. Этот процесс называется закалкой. Нагревая сплав после закалки, мы приводим систему в более устойчивое состояние, снижая прочность. Этот процесс называется отпуском или старением. С помощью термообработки можно изменять механические свойства сплавов.

2.2 Диаграмма железо – углерод

Железоуглеродистые сплавы (стали, чугуны) важнейшие, так как их производят 90-95% от общего производства всех металлов. Начало изучению диаграммы положено Д.К.Черновым, П.П.Амосовым. Было указано о существовании критических точек в стали, дано первое представление о диаграмме Fe-С. Зарубежные учёные Осмонд, Ле – Шателье, Аустенит, русские – Байков, Гудцов, Гуляев развивали науку о диаграмме Fe-С.

При 768 0 С и выше железо становится немагнитным. Железо со многими элементами образует сплавы (растворы):

а) с металлами – растворы замещения, с Fe₃C также раствор замещения;

б) с лёгкими элементами – растворы внедрения (C, B, N, и др.).

Растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической решётки. В Fe_a растворится от 0,005% (20 0 С) до 0,02% (723 0 С), в Fe_g растворится максимально 2,14% углерода.

Рисунок 29 – Микроструктура технического железа. Феррит

Рисунок 30 –Структура аустенита углеродистой стали, выявленная травлением при высоких температурах

Цементит (Ц, Fe₃C) – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа), имеющий свою решётку, физико-химические свойства (рис 31). Температура плавления

1500 0 С, не полиморфен, слабо магнитен. Он имеет высокую твёрдость (80 HRС), низкую пластичность. Цементит с железом и другими металлами образует твёрдые растворы замещения. Углерод может замещаться азотом, кислородом, бором и др., атомы железа металлами: Mn, Cr, W, Ni, Co, Cu и т.д. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита и железа называется легированным.

Рисунок 31 – Кристаллическая структура цементита

Диаграмма Fe – C изображена на рисунке 32.

Рисунок 32 – Диаграмма фазового состояния Fe-Fe₃C

Линия ABCД – ликвидус, AHJECF – солидус. В системе существуют следующие фазы:

— жидкий сплав (раствор) углерода в железе обозначается Ж или Z;

— цементит (Fe₃C) линия ДFKL (Ц);

— феррит (Fe_a, Ф, a) расположен в областях GPQ и AHN;

— аустенит (Fe_g, А, g) занимает область NJESG.

На диаграмме имеется три горизонтальные линии HJB, ECF, PSK указывающие на протекание трёх реакций. При 1499 0 С Ж_B+Ф_Н ®А_J; реакция протекает у сплавов, содержащих углерод от 0,1 до 0,5 %. Реакция – перитектическая. При 1147 0 С протекает эвтектическая реакция Ж_С ®A_E +Ц_F в результате образуется механическая смесь аустенита и цементита – эвтектика – ледебурит. Реакция протекает у всех сплавов, содержащих углерод более 2,14%. При температуре меньше 727 0 С ледебурит состоит из перлита и цементита.

При 727 0 С протекает эвтектоидная реакция A_S ®Ф_Р +Ц_К. Продуктом её является механическая смесь феррита и цементита вторичного – перлит (рис. 33). Перлитное превращение происходит у всех сплавов, содержащих углерод более 0,02%.

Рисунок 33 – Структура перлита

Диаграмма Fe – Fe₃C – метастабильная. Концентрация углерода для характерных точек следующая: B – 0,51 %C, H – 0,1 %C, J – 0,16 %C, E – 2,14 %C, C – 4,3 %C, S – 0,8 %C, P – 0,02 %C.

В системе Fe – Fe₃C имеются сплавы: сталь и чугун. Стали содержат углерод до 2,14 %, чугуны от 2,14 до 6,67 %, сталь, содержащая 0,8 % углерода называется эвтектоидной, чисто перлитной. Стали доэвтектоидные (конструкционные) содержат до 0,8 % углерода; стали, содержащие углерод от более 0,8 до 2,14 называются заэвтектоидными (инструментальными). На рисунке 34 показана доэвтектоидная (Ф+П), эвтектоидная (П) и заэвтектоидная (П+Ц₂) стали. Перлит имеет кристаллы феррита вперемешку с кристаллами цементита.

а – доэвтектоидная сталь;

б – эвтектоидная сталь;

в – заэвтектоидная сталь

Рисунок 34 – Микроструктура сталей

Источник