Диаграммы состояния сплавов

Зависимость агрегатного или фазового состояния сплавов от их соста­ва и температуры определяют экспериментально путем определения кри­тических точек превращений в сплавах по кривым нагрева (охлаждения). По полученным данным строят диаграммы состояния, отражающие связь между состоянием сплавов, их составом и температурой, а также фазовые превращения, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении.

Диаграмма состояния сплавов —твердых растворов. На рис. 3.1 приведена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых А и В обла­дают неограниченной растворимостью друг в друге. По вертикали распола­гают шкалу температур, по горизонтали — ось концентраций компонентов. При таком построении диаграмма отра­жает состояние сплава любой концент­рации при любой температуре.

Диаграмма состояния сплавов — твер­дых растворов состоит из двух линий: верхней — ликвидус (от лат. liquidus — жидкий) и нижней — солидус (solidus — твердый). Выше линии ликвидус сплавы находятся в однофазном жидком состоя­нии между линиями ликвидус и соли­дус — двухфазном состоянии (кристал­лы твердого раствора и жидкость) и ниже линии солидус — в однофазном твердом состоянии — состоят из зерен твердого раствора компонентов А и В. Как видно из диаграммы, сплавы-твердые растворы в отличие от чистых компонентов затвердевают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус и солидус. В случае ограниченной растворимо­сти компонентов на диаграмме состояния ниже линии солидус будет еще одна линия, отражающая эту растворимость.

2. Диаграмма состояния сплавов-смесей. Сплавы-смеси также затвер­девают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус АСВ (рис. 3.2) и солидус DCF. И только сплав, соответствующий концент­рации точки С, плавится, как и чистые компоненты, при постоянной тем­пературе. После затвердения этот сплав состоит из смеси (рис. 3.2) мелких зерен обоих компонентов А и В. Такая смесь называется эвтектикой (Э), сплав с такой структурой —- эвтектическим, а точка С — эвтектиче­ской точкой. Соответственно сплавы, расположенные левее точки С, на­зываются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рис. 3.1. Диаграмма состояния спла­вов — твердых растворов.

Затвердевание доэвтектического сплава / начинается в точке / на линии ликвидус АС выпадением кристаллов избыточного компонента А. Поэтому в интервале между точками / и 2 жидкая фаза сплава обедняется компонентом А и соответственно обогащается компонентом В. При тем­пературе точки 2 сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы, концентрация которой достигла эвтектического состава и поэтому затвердевает с образованием эвтектики (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма состояния сплавов-смесей.

Процесс затвердевания зазвтектического сплава /// отличается от рас­смотренного тем, что в нем на линии ликвидус СВ в точке 3 начинают выделяться кристаллы компонента 3, Поэтому после затвердевания (точка 4) структура этого сплава состоит из кристаллов В и эвтектики (рис. 3.2). При нагревании сплавов рассмот­ренные процессы происходят в обрат­ном порядке.

3. Связь диаграмм состояния спла­вов с их свойствами.Практическая ценность диаграмм состояния состоит еще и в том, что, отражая агрегатное и фазовое состояние сплавов, они от­ражают также изменение их свойств, Впервые эту связь установил и изучил советский физико-химик, ака­демик Н. С. Курнаков и представил ее в виде диаграмм состав — свой­ства (рис. 3.3). Например, если компоненты сплава образуют механиче­ские смеси, то свойства этих сплавов (твердость, электропроводность и др.) изменяются по закону прямой линии (рис. 3.3, а). В сплавах твердых растворах эти свойства изменяются по кривой с максимумом или минимумом (рис. 3.3, б).

Установлено также, что твердые растворы обладают повышенной плас­тичностью, поэтому сплавы с такой структурой хорошо обрабатываются давлением. Наличие эвтектики в сплавах, наоборот, делает их более хрупкими, но улучшает литейные свойства.

Рис. 3.3. Связь диаграмм состояния спла­вов с их свойствами.

Диаграмма состояния Fе- Fе₃C.

В системе Fе-С различают: феррит, аустенит, цементит и графит.

Феррит - представляет собой твердый раствор внедрения углерода и других элементов в Fеα-железе и имеет решетку ОЦК. Максимальное содержание углерода в феррите 0.02. Он мягок и пластичен.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ-железе – 2,14% C и имеет решетку ГЦК. Для аустенита характерна высокая пластичность и низкий предел прочности.

Цементит - это химическое соединение углерода с железом (карбид железа – Fе₃C). В цементите содержится (6,67%С). Цементит обладает высокой твердостью (НV 1000) и очень низкой пластичностью. Хрупок. Цементит является неустойчивой фазой и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода а виде графита.

Графит - это углерод находящийся в свободном виде в железоуглеродистых сплавах. Графит легок, обладает высокой электропроводимостью, имеет металлический блеск.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом приведена на рис.3.4 Она построена в интервале концентраций углерода от 0 до 6,67 %, т. е, до образования химического соединения карбида железа Fe₃C, который ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому компонентами же­лезоуглеродистых сплавов можно считать железо и карбид железа.

Сплавы, содержащие менее 0,02%С, называют техническим железом . Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталями. Сплавы содержащие углерода более 2,14%, называют чугунами. Стали с содержанием углерода до 2,14%С. При нагревании выше линии GSE они состоят только из аустенита. Аустенит пластичен, поэтому стали легко деформируются. В структуре чугунов имеется эвтектика (ледебурит), что и делает их очень хрупкими.

Линия GS при охлаждении соответствует температурам полиморфного превращения аустенита в феррит. Точки, образующие линию GS принято обозначать А3. При этом температуру соответствующую началу превращения при охлаждении обозначают Ac1 превращение при нагревании Ас3.

SE - линия предельной растворимости углерода в аустените. При охлаждении она соответствует температурам начала выделения вторичного цементита из аустенита, а при нагреве к концу растворения вторичного цементита в аустените. Линию SE, принято обозначать Ас3.

GP -при охлаждении соответствует температурам конца превращения аустенита в феррит, а при нагревании - превращения феррита в аустенит.

PSK – линия эвтектоидного превращения (точки Ac1). При охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоидной ферритноцементитной смеси, получившей название перлит.

В соответсвии с диаграммой Fе- Fе₃C, различают три группы мателиалов: техническое железо, стали, чугуны.

Техническое железо - сплавы, содержащие менее 0,02%С (точка P). После охлаждения они имеют структуру феррита или феррита и третичного цементита.

Доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% С (точки P и S). И состоит из феррита и перлита. Перлит обычно имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.(рис.3.4, рис.3.5)

Эвтектоидные стали –сплавы, содержащая 0,8% С(точкаS). .(рис.3.4, рис.3.5).Они имеют в структуре только эвтектоид - перлит.

Заэвтектоидные стали -сплавы содержащие свыше 0.8% до 2,14%С. Они состоят из вторичного цементита и перлита.(рис.3.4, рис.3.5)

Рис. 3.5 –Схемы микроструктур углеродистых сталей.

ЛЕКЦИЯ 4

1. Сущность обработки металлов давлением

1. Пластическая деформация. Обработка металлов давлением основана на использовании одного из основных свойств металлов — пластичности. Она проявляется в необратимом изменении формы и размеров тела под
действием внешних сил без нарушения его целостности, которое сопровождается изменением структуры и механических свойств металла.

Пластическая деформация заключается в перемещении атомов относи­тельно друг друга на расстояния больше межатомных из одних равновес­ных положений в новые. При перемещении атомов в одной кристаллогра­фической плоскости без изменения расстояний между этими плоскостями силовое взаимодействие атомов не исчезает и деформация протекает без нарушения сплошности тела. При перемещении атомов по опреде­ленным плоскостям кристаллической решетки происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой (рис. 4.1, а). Однако этот сдвиг происходит не при одновременном смещении атомов, а путем постепенного перемещения микроскачками вдоль плоскости скольжения несовершенств (дефектов) кристаллического строения. При одновремен­ном сдвиге одной части кристалла относительно другой потребовались бы напряжения, в сотни и тысячи раз перевышающие наблюдаемые при деформации реальных металлов.

При пластической деформации в отличие от упругой нет линейной зависимости между напряжениями и деформациями.

2. Особенности и область применения обработки давлением.

Получение заготовок деталей, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и форм при обработке давлением достигается пластическим перемещением

Рисунок 4.1 –Схема скольжения и изменения макроструктуры металла при его деформировании.

(сдвигом) частиц металла. В этом заключается основное отли­чие и преимущество обработки давлением по сравнению с обработкой резанием, при которой форма изделия получается удалением части за­готовки. Поэтому обработка давлением характеризуется малыми отхо­дами металла. Вместе с тем она является высокопроизводительным процессом, так как изменение размеров и формы заготовки достигается однократным приложением внешнего усилия. Указанные особенности обусловливают непрерывное возрастание роли обработки давлением в машиностроении. Обработке давлением подвергают около 90 % всей выплавляемой стали и свыше 50 % цветных металлов.