Материалы, оборудование и принадлежности

Для выполнения работы необходимы: набор образцов металла с различной подготовкой кромок и образцов сварных соединений, угломер, масштабная линейка, штангенциркуль, сборники ГОСТ.

Ход работы

В наборе из трех-четырех образцов металла с разной подготовкой кромок и образцов сварных соединений различных типов, выданных преподавателем, установить в соответствии с ГОСТ вид подготовки кромок образца и тип каждого соединения. Измерить масштабной линейкой или штангенциркулем толщину свариваемого металла и выбрать по ГОСТ сварные соединения, наиболее соответствующие предложенным образцам (т. к. определенному диапазону толщины свариваемого металла соответствует несколько разновидностей формы подготовки кромок, то выбирают наиболее подходящую, исходя из внешнего вида образца). В отчете по работе записать буквенно-цифровые обозначения выбранных соединений, выполнить по ГОСТ чертежи собранных под сварку заготовок и готового сварного соединения, проставить соответствующие размеры конструктивных элементов и сварного шва. Установить с помощью линейки, штангенциркуля и угломера размеры основных конструктивных элементов подготовки кромок и швов. Сравнить полученные при измерении образцов размеры с данными ГОСТ.

Представить результаты измерения образцов в виде таблицы 4.1.

Таблица 4.1

Источник информации	Конструктивные элементы подготовки кромок, размеры швов
S1, мм	b1, мм	с1, мм	, , …˚	q, мм	h, мм	H, мм	k, мм	e1, мм
ГОСТ Результаты измерений

Содержание отчета

Отчет должен содержать: название и цель работы, краткие теоретические сведения, результаты измерений в виде свободной таблицы, а также заключение о соответствии подготовки кромок и сварных соединений на основании данных измерений и внешнего осмотра.

Практическая работа 1

ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ МАРКИРОВКИ И КЛАССИФИКАЦИИ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Цель работы

Изучить систему маркировки и классификации конструкционных металлических материалов, получить практические навыки приобретения необходимой технической информации о свойствах и применении конструкционных материалов на основании анализа их марок.

5.2 Общие сведения

5.2.1 Классификация и маркировка сталей

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа и углерода.

Углеродистая сталь – сложный по химическому составу сплав железа Fe с углеродом C и другими постоянными примесями: марганца Mn, кремния Si, серы S и фосфора P, которые оказывают влияние на ее свойства. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами (в процентах): С – до 2,14; Mn – до 0,8; Si – до 0,5; Р – до 0,07 и S – до 0,06.

Все стали классифицируют по следующим основным признакам.

По химическому составу – углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3…0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С). По количеству введенных элементов легированные стали разделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 5 %, среднелегированные – 5…10 % и высоколегированные – не более 10 %. По качеству стали делят на стали обыкновенного качества – содержание S до 0,060 % и Р до 0,070 %, качественные – не более 0,040 % S и 0,035 % Р, высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп), раскисленные полностью (марганцем, кремнием и алюминием); кипящие (кп), раскисленные не полностью (только марганцем); полуспокойные (пс), занимающие промежуточное положение между спокойными и кипящими (раскисленные марганцем и кремнием).

По назначению стали классифицируют как конструкционные, инструментальные и стали со специальными физико-химическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества наиболее дешевые. Их выпускают в виде различного проката. Маркируют их сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Чем больше цифра в марке стали, тем больше содержится в стали углерода, выше ее прочность и твердость, но ниже пластичность и вязкость. Степень раскисления обозначается добавлением в конце марки соответствующего индекса: сп, кп или пс. В марке спокойной стали такой индекс может отсутствовать. Например, несколько марок сталей: Ст0, Ст3кп, Ст4сп, Ст5пс.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 05, 08, 10, 15, 20…85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 – 0,45 % С и т. д.

Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9…У13 и высококачественными: У7А, У8А…У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь высококачественная.

К углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,2 %), например, стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс, 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих их химический состав. Принято обозначать: хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – Б, бор – Р, кобальт – К, цирконий – Ц, фосфор – П, редкоземельные металлы – Ч, азот – А. Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1,0 %. При этом в начале марки легированной конструкционной стали стоят две цифры, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХН3 в среднем содержит 0,20 % С, 1 % Cr , 3 % Ni. Если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первой цифрой марки будет ноль, например, 08Г2С (содержит 0,08 % С).

В марке легированной инструментальной стали на первом месте стоит цифра, указывающая на содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 5ХНТ содержит 0,5 % С. Если на первом месте цифра отсутствует, то сталь содержит около 1 % углерода, например, сталь ХВГ содержит 0,9…1,0 % С.

По качеству легированные стали бывают качественные, высококачественные и особовысококачественные. То, что сталь высококачественная, означает буква А в конце марки, особовысококачественная – буква Ш в конце марки, например: 20ХН3А – сталь высококачественная, 30ХГСШ – особовысококачественная.

Назначение легированных сталей определяется их химическим составом.

Конструкционные легированные стали содержат углерода примерно до 0,45…0,50 % (например, стали 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Инструментальные легированные стали характеризуются большим содержанием углерода (например, стали 6ХВ2С, 9ХС, ХВГ). В то же время инструментальные стали, легированные такими элементами, как вольфрам, ванадий, молибден, могут содержать и меньшее количество углерода (например, стали 3Х2В8Ф, 4ХВ2С, 4Х2В5ФМ, 5ХГМ).

Легированные стали со специальными физико-химическими свойствами составляют особенную группу сталей. Это, в большинстве, стали средне- и высоколегированные. К ним относятся, например, рессорно-пружинные стали, имеющие высокий модуль упругости, (50С2, 60С2, 65Г, 70С3А, 50ХФА, 60С2Н2А); жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); коррозионностойкие или нержавеющие стали, стойкие против действия внешней среды (08Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х28, 12Х18Н8); износостойкие стали (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).

Более полные сведения о специальных сталях, их назначении и свойствах приведены в учебниках по металловедению и в соответствующих стандартах.

Марки некоторых групп углеродистых и легированных сталей имеют свои особенности, указывающие на принадлежность к этой группе.

Так, быстрорежущие инструментальные стали обозначаются буквой Р (рапид – скорость) в начале марки. Цифры после буквы Р указывают на содержание основного легирующего элемента – вольфрама в целых процентах. Кроме того, в состав быстрорежущих сталей входит 4,5 % хрома и 2,5 % ванадия, которые в марке не обозначаются. При более высоком содержании ванадия его среднее количество обозначается в марке. Например, сталь Р6М5 содержит 0,85…0,95 % С, 5,5…6,5 % W, 3,0…3,6 % Mo, 3,0…3,6 % Cr, 2,0…2,5 % V, а сталь Р9Ф5 – 1,4…1,5 % C, 9,0…10,5 % W, 4,5…5,1 % V, 3,8…4,4 % Cr.

Марка подшипниковых сталей начинается с буквы Ш, дальше идут буква Х (хром), цифры, указывающие на содержание хрома в десятых долях процента. Например, стали марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 содержат более 1 % С и, соответственно, 0,6; 0,9; 1,5 % Cr. Эти стали дополнительно могут быть легированы кремнием до 0,85 % и марганцем – до 1,7 % (например, стали ШХ15ГС, ШХ20ГС).

Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и фосфора дополнительно легируются свинцом (0,15…0,35 %) – обозначается в марке буквой С, селеном (0,08…0,30 %) – Е, кальцием (0,002…0,008 %) – Ц. Они имеют особенно хорошую обрабатываемость резанием, поэтому применяются для обработки на станках-автоматах. В начале марки этих сталей ставится буква А, после которой записывается двухзначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: А12, АС14, АЦ30ХН, А35Е.

Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. После числа ставится буква Л. Легированные литейные стали маркируются соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как правило, после буквы Л через дефис записывается цифра І, ІІ или ІІІ: І – отливки общего назначения; ІІ – ответственного назначения; ІІІ – особо ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.

5.2.2 Маркировка чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в каком состоянии присутствует углерод в сплавах, различают белые и серые чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома. В белых чугунах основная часть углерода находится в виде химического соединения (цементита). Они очень твердые и хрупкие, поэтому как конструкционный материал не применяются. В серых чугунах основная часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита (графитных включений). Серые чугуны используются для изготовления фасонных отливок. Они делятся на серые обыкновенные, ковкие и высокопрочные. Серые обыкновенные, ковкие и высокопрочные чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двузначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15 (s_в ³ 150 МПа), СЧ25 (s_в ³ 250 МПа).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например: ВЧ38 (s_в ³ 380 МПа).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире: первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе – относительное удлинение (в процентах). Например, КЧ30-6 (s_в ³ 300 МПа, d ³ 6 %).

5.2.3 Маркировка меди и ее сплавов

Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например, М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu), М4 (99,0 % Cu).

В состав медных сплавов могут входить: цинк – Ц, алюминий – А, марганец – Мц, кремний – К, железо – Ж, фосфор – Ф, никель – Н, свинец – С, олово – О, бериллий – Б.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Подразделяют латуни на литейные и деформируемые.

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ. Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40 % Zn, 2 % Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, остальное – Cu).

При маркировке деформируемых латуней после буквы Л идет число, указывающее содержание меди в целых процентах, потом буквы – индексы компонентов, входящих в состав сплава, и далее через дефис – числа, указывающие их количество в процентах. Например: Л96 (96 % Сu, 4 % Zn), ЛАЖ60-І-І (60 % Cu, 1 % Al, 1 % Fe, остальное – Zn).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами. Разделяются на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные. Бронзы маркируют так же, как и латуни, только индекс Л заменяют индексом Бр. Например: БрОЦС4-4-2,5 (4 % Sn, 4 % Zn, 2,5 % Pb, остальное – Cu) – деформируемая бронза.

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, которая определяет его название. Например: Бр06Ц6С3 (6 % Sn, 6 % Zn, 3 % Pb).

5.2.4 Маркировка алюминия и его сплавов

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты – А999 (999,99 % Аl), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 и технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления заготовок на деформируемые и литейные.

Алюминиевые деформируемые сплавы при маркировке записывают буквами и цифрами. Например: АМц, АМг2, Д1, В95, АК6. Числа указывают на номер сплава. Химический состав и механические свойства указываются в справочной литературе.

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ (алюминиевые литейные), далее идут числа, которые указывают на номер сплава. Например: АЛ2, АЛ4, АЛ9 и т. д. Химический состав и механические свойства также указываются в справочной литературе.

5.2.5 Маркировка магния и его сплавов

В зависимости от содержания примесей установлены такие марки магния: Мг96 (99,92 % Mg), Мг95 (99,82 % Mg). Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и числом, которое указывает на порядковый номер. Например: МА5, МА11, МА14, МА19.

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и числом – порядковым номером сплава. Например: МЛ5, МЛ8, МЛ10.

5.2.6 Маркировка титана и его сплавов

Технический титан изготавливается следующих марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti), ВТ1-1 (99,44 % Ti). Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и ОТ и числами, указывающими на номер сплава. Например: ВТ5, ВТ5-1,ОТ4, ОТ4-1, ВТ14, ВТ22. При этом состав и свойства сплавов приведены в справочной литературе.

5.2.7 Маркировка металлокерамических твердых сплавов

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных металлической связкой. В зависимости от состава карбидной основы, спеченные твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WС – Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например: ВК6 (94 % WС, 6 % Co). Вторую группу (титановольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-WС-Co. Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание (в процентах) карбида титана и кобальта. Например: Т30К4 (30 % TiС, 4 % Co, 66 % WС).

Третью группу (титанотанталовольфрамовую) образуют сплавы системы TiС – ТаС – WС – Co. Они маркируются буквами ТТК и цифрами. Цифра и марка после букв ТТ обозначают суммарное содержание (в процентах) карбидов TiС + ТаС, а после буквы К – количество кобальта. Например: ТТ8К6 (TiС + ТаС = 8 %, 6 % Со, 84 % WС).

5.3 Результаты работы

Работа носит практический характер и заключается в умении на основании анализа марки конструкционного материала привести его характеристику (по признакам классификации, химическому составу, способу изготовления заготовок, механическим свойствам) без использования справочника.

Примеры такого анализа представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Марка материала	Название материала	Химический состав	Краткая характеристика
Ст2кп	Сталь	По справочнику	Углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества, кипящая
	Сталь	0,25 % С, Fe и примеси – остальное	Углеродистая, конструкционная, качественная, спокойная
40ХН	Сталь	0,40 % С, 1 % Cr, 1 % Ni, Fe и примеси – остальное	Легированная, конструкционная, качественная, спокойная
СЧ15	Чугун	По справочнику	Серый обыкновенный с пластинчатым графитом, sв ³ 150 МПа
ЛЦ20С3	Латунь	20 % Zn, 3 % Pb, Cu – остальное	Литейная

В таблице 5.2 приведены варианты ряда конструкционных материалов для самостоятельного овладения навыками анализа марок материалов. Они могут быть использованы на практических занятиях при освоении теоретического материала, представленного в общих указаниях.

Изучить систему маркировки и классификации конструкционных металлических материалов, получить практические навыки приобретения необходимой технической информации о свойствах и применении конструкционных материалов на основании анализа их марок.

Таблица 5.2

Номер вар.	Марки материалов
	Ст0	10пс	30ХГСА	АК1	СЧ30
	Ст1кп		АС40	БрО10Ф1	КЧ45-6
	Ст1пс		18Х2Н4МА	АК6	СЧ35
	Ст1сп		42ХМФ	АЛ32	ВЧ42
	Ст2пс	10кп	38ХНМ	ЛАЖ60-1-1	СЧ40
	Ст2сп		АЦ20	БрОЦ4-3	КЧ50-4
	Ст3пс	15кп	12Х2Н4А	АК4	ВЧ45
	Ст2кп		4ХВ2С	АЛ19	ВЧ50
	Ст4кп	16пс	25ХГМ	ЛС60-1	КЧ30-6
	Ст3Гпс		АЦ30ХН	АЛ27	ВЧ60
	Ст3сп	75Г	08Х18Н9Т	ЛА77-2	КЧ56-4
	Ст5пс		30ХГТ	АМг2	СЧ10
	Ст3кп		38ХН3МФА	БрОЦС65-5	КЧ33-8
	Ст6сп		50Х	Мг90	СЧ18
	Ст4сп		А12	ЛН66-5	КЧ35-10
	Ст5Гпс		09Г2С	Д1	СЧ15
	Ст6пс		Х12М	В95	КЧ37-12
	Ст4пс		АС14	Д16	СЧ20
	Ст5сп		30ХН3А	БрА7	ВЧ80
	Ст4кп		25Г2С	ЛК80-3	СЧ25
	20Г		40ХН	АЛ11	КЧ80-1,5
	25Г		А20	АМг1	ВЧ100
	15Г	08кп	40Х	АЛ8	КЧ60-3
	Ст3Гсп	05кп	20ХГР	АЛ12	ВЧ120
	50Г	08пс	А30	АЛ7	КЧ63-2
	Р18К5Ф2	Т30К4	ЛЦ40Мц1,5	Х12М	МА14
	У13А	ВТ5-1	БрАЖН10-4-4	ШХ6	МЛ9
	Х12Ф1	Т15К6	ЛЦ30Мц2С2	Р9	МА19
	У10А	ВК3	БрО3Ц12С5	Р6М2Ф3	ВТ5
	Х6ВФ	Т14К8	Л96	Р6М3	МЛ2

6 Практическая работа 2

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРА ПРЕВРАЩЕНИЙ И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

6.1 Цель работы

Изучить приемы анализа диаграмм состояния двухкомпонентных систем, получить навыки в использовании диаграмм состояния для описания превращений в сплавах.

6.2 Кристаллизация и формирование структуры неограниченных твердых растворов

Диаграммы состояния являются наглядным изображением фазового состояния сплавов в равновесных условиях в зависимости от температуры и состава. Диаграммы состояния используют для решения ряда задач. На примере диаграммы состояния системы двухкомпонентных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии (система Cu – Ni), приведенной на рисунке 6.1, а, рассмотрены основные задачи, решаемые с помощью диаграммы состояния, и методы их решения. Подобная диаграмма состояния (диаграмма II рода) условной двухкомпонентной системы А – В приведена также на рисунке А.2.

I

а б

Рисунок 6.1 – Диаграмма состояния системы «медь – никель» (а)

и кривая охлаждения (б)

Линия АтВ – линия ликвидуса, выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии (Ж). Линия АпВ – линия солидуса, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплавы рассматриваемой системы в твердом состоянии представляют собой твердые растворы α.

По диаграмме состояния могут быть решены следующие задачи.

1. Определение температуры критических точек. Для решения этой задачи необходимо найти проекции на ось температур точек пересечения линии сплава (вертикальной линии, проходящей через точку оси концентраций, соответствующую составу заданного сплава) с линиями диаграммы. Так, сплав, содержащий 30 % Сu и 70 % Ni (сплав І), имеет следующие температуры критических точек (см. рисунок 6.1, а): 1 400 °С (точка 1 – начало кристаллизации) и 1 250 °С (точка 2 – конец кристаллизации).

2. Определение фазового состояния сплава в различных температурных интервалах. Для решения этой задачи необходимо через точки, характеризующие определенные температуры в различных температурных интервалах охлаждения сплава, провести горизонтальные линии (изотермы) до пересечения с линией сплава.

Области расположения точек пересечения определяют фазовое состояние сплава. Так, пусть сплав І (см. рисунок 6.1, а) охлажден до температур, например: t_a = 1 450 °С, t_б = 1 350 °С, t_в = 1 100 °С. Проведем изотермы t_a, t_б, t_в. Точки пересечения а, б и в характеризуют фазовое состояние сплава при рассматриваемых температурах. Так, при температуре t_a (температурный интервал t₀ – t₁) сплав состоит из одной фазы (Ж), при температуре t_б (интервал t₁ – t₂) сплав состоит из двух фаз (Ж + α) и при температуре t_в (интервал t₂ – t₃) – из одной фазы (α).

3. Определение химического состава фаз сплава, находящихся в равновесии (в двухфазной области). Решение этой задачи для области двухфазного состояния сплава (интервал кристаллизации) осуществляется с помощью первого положения правила отрезков. Для этого необходимо через точку на линии сплава (например, точку б на рисунке 6.1, а), характеризующую его состояние при соответствующей температуре (t_б = 1350 °С), провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось концентрации укажут состав фаз. Так, проекция г^/ точки г на ось концентрации указывает химический состав жидкой фазы, а проекция д^/ точки д – твердой фазы. В рассматриваемом сплаве при температуре 1 350 °С существует жидкая фаза, содержащая 48 % Ni и 52 % Сu (точка г^/), и твердая фаза α, содержащая 86 % Ni и 14 % Сu (точка д^/).

Первое положение правила отрезков позволяет также провести анализ изменения химического состава фаз сплава в рассматриваемой двухфазной области – температурном интервале кристаллизации (t₁ – t₂). Так жидкая фаза в указанном интервале изменяет свой химический состав по линии ликвидуса от точки 1 до точки л, а твердая фаза – по линии солидуса от точки к до точки 2 (составы фаз указывают проекции этих точек на ось концентраций). Таким образом, состав жидкости изменяется от 30 % Сu + 70 % Ni до 78 % Cu + 22 % Ni, а состав α- твердогораствора – от 7 % Сu + 93 % Ni до 30 % Сu + 70 % Ni.

4. Определение количественного соотношения между фазами сплава в двухфазной области. Эту задачу решают с помощью второго положения правила отрезков (правила рычага). Согласно этому положению весовые количества фаз сплава, находящиеся в равновесии при определенной температуре, обратно пропорциональны отрезкам коноды.

Обозначим: q – общая масса сплава;

q_ж – масса жидкой фазы;

q_α – масса α-твердого раствора.

Согласно правилу отрезков при t_б = 1 350 °С:

, , (6.1)

, . (6.2)

Подставляя в эти выражения координаты точек по оси концентрации (например, значения концентрации Ni), получим:

q (6.3)

(42 % от массы всего сплава составляет жидкая фаза);

q (6.4)

(58 % от массы всего сплава составляет твердая фаза) при рассматриваемой температуре t_б = 1350 °С.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что правило отрезков может быть использовано только для областей двухфазного состояния сплавов.

5. Анализ кристаллизации сплава и построение кривой охлаждения. Рассмотрим с помощью диаграммы состояния процесс кристаллизации сплава І при медленном охлаждении от температуры 1500 °С (точка 0 – см. рисунок 6.1, а). При медленном охлаждении до температуры, соответствующей точке 1, сплав находится в жидком состоянии. Линия 0 – 1 на кривой охлаждения сплава характеризует условия этого охлаждения (см. рисунок 6.1, б). В соответствии с правилом фаз (С = К – Ф + 1, где К – число компонентов, Ф – число фаз, С – число степеней свободы), условия равновесного существования сплава (т. е. без изменения фазового состава) на этом участке будут С = 2 – 1 + 1 = 2 (двухвариантное равновесие). Это означает, что сплав будет сохранять однофазное состояние при некотором изменении двух воздействующих факторов, один из которых температура.

В точке 1 начинается кристаллизация сплава. Это соответствует перегибу на кривой охлаждения сплава в точке 1 (критическая точка), связанному с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому кривая охлаждения сплава в интервале кристаллизации t₁ – t₂ более пологая (см. рисунок 6.1, б).

При кристаллизации из жидкого сплава возникают кристаллы твердого раствора меди и никеля, который условно обозначается буквой α. Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре, т. к. согласно правилу фаз число степеней свободы будет равно единице (С = 2 – 2 + 1 = 1 – одновариантноеравновесие).

При достижении температуры, соответствующей точке 2 (см. рисунок 6.1, а), сплав полностью затвердевает, и при более низких температурах существует только α-твердый раствор. Вместе с завершением процесса кристаллизации прекращается выделение тепла системой, и в условиях непрерывного охлаждения ускорится процесс отвода тепла – участок 2–3 на рисунке 6.1, б. Моменту окончания кристаллизации соответствует перегиб на кривой охлаждения сплава в точке 2 (критическая точка).

При кристаллизации составы жидкости и вырастающих кристаллов α-твердого раствора в соответствии с правилом отрезков будут изменяться (см. рисунок 6.1, а): состав жидкости – по линии ликвидуса от точки 1 (30 % Сu + 70 % Ni) до точки л (78 % Сu + 22 % Ni), а состав кристаллов – по линии солидуса от точки к (7 % Сu + 93 % Ni) до точки 2 (30 % Сu + 70 % Ni). Таким образом, кристаллы твердого раствора будут иметь переменный состав.

В то же время при медленном охлаждении в фазах сплава будет происходить выравнивающая диффузия, что способствует усреднению их составов. Однако процесс диффузии происходит медленно, поэтому в практических условиях состав кристаллов после окончания кристаллизации (ниже линии солидуса) не успевает выравниваться, и они оказываются химически неоднородными. Поскольку кристаллы имеют, как правило, форму дендритов, то их оси, которые при кристаллизации возникают первыми, оказываются обогащенными никелем (более тугоплавким компонентом), а межосевое пространство – медью (более легкоплавким компонентом).

Такая химическая неоднородность в пределах дендритного кристалла называется дендритной, или внутрикристаллической, ликвацией.

6. Определение структуры сплава Ni–Сu в различных температурных интервалах. В температурном интервале t₀ – t₁ (см. рис. 6.1, а) сплав находится в жидком (однофазном) состоянии. Таким образом, структура (строение) сплава при этих температурах будет однофазной – жидкость (Ж). Условно структура сплава приведена на рисунке 6.2, а.

б Жидкость Дендриты твердой фазы а Жидкость

a-твердый раствор

в

а – в интервале t₀ – t₁; б – в интервале t₁ – t₂; в – в интервале t₂ – t₃

Рисунок 6.2 – Схема структуры сплава Ni – Cu

В интервале кристаллизации сплава t₁ – t₂ он находится в двухфазном состоянии (Ж + α), как уже было показано ранее. При кристаллизации из жидкости образуются кристаллы твердого раствора α, как правило, дендритной формы. В результате структура сплава будет двухфазной и состоять из кристаллов твердого раствора и жидкости (рисунок 6.2, б).

В температурном интервале t₂ – t₃структура сплава будет однофазной и состоять из кристаллов твердого раствора. Схематично структура сплавов в твердом состоянии приведена на рисунке 6.2, в.

6.3 Кристаллизация и формирование структуры сплавов с эвтектикой

На примере диаграммы состояния системы Pb – Sb, приведенной на рисунке 6.3, рассмотрены основные приемы анализа превращений и формирования структуры сплавов с практической нерастворимостью компонентов в твердом состоянии. Аналогичная диаграмма состояния (диаграмма I рода) условной двухкомпонентной системы А – В приведена также на рисунке А.1.

а б

Рисунок 6.3 – Диаграмма состояния системы Pb–Sb (а)

и кривые охлаждения сплавов (б)

Линия АСВ – линия ликвидуса, выше этой линии сплавы рассматриваемой системы находятся в жидком состоянии. Линия ДСЕ – линия солидуса, ниже этой линии все сплавы этой системы находятся в твердом состоянии в виде механической смеси кристаллов чистых компонентов (смесь двух твердых фаз). У сплавов Pb – Sb это смесь кристаллов свинца и сурьмы (двухфазное состояние – Pb + Sb).

Сплавы, соответствующие по составу точке С (в данной системе – 13 % Sb), называются эвтектическими, расположенные на диаграмме левее точки С – доэвтектическими и расположенные правее точки С – заэвтектическими. Эти сплавы отличаются не только по химическому составу, но и по структуре.

Рассмотрим процесс кристаллизации эвтектического сплава ІІ.

Этот сплав является самым легкоплавким. При охлаждении данного сплава в температурном интервале t₀ – t_с он находится в жидком (однофазном) состоянии. Процесс охлаждения описывается линией 0 –С на кривой охлаждения сплава (см. рис. 6.3, б). На этом участке охлаждения число степеней свободы С = К –Ф + 1 = 2 –1 + 1 = 2. Кристаллизация сплава начнется при температуре, соответствующей точке С (t_с). В процессе кристаллизации из жидкости Ж_с (состава точки С) одновременно образуются две твердые фазы – кристаллы и свинца, и сурьмы, т. е. Ж_с ® Pb + Sb. Такое превращение называется эвтектическим. В ходе этого превращения одновременно сосуществуют три фазы постоянного состава (Ж_с, Pb и Sb), и, таким образом, условие равновесного существования сплава будет: С = 2 –3 + 1 = 0 (безвариантное равновесие). Это объясняет тот факт, что эвтектическая кристаллизация происходит при постоянной температуре и выражается температурной остановкой на кривой охлаждения (горизонтальная линия С –С^/, см. рисунок 6.3, б).

Эвтектическая кристаллизация осуществляется путем совместного роста кристаллов твердых фаз, образующих двухфазные эвтектические зерна. Возникающая, таким образом, характерная мелкокристаллическая двухфазная структура называется эвтектикой. В плоскости сечения шлифа невозможно увидеть взаимное переплетение кристалликов фаз, составляющих эвтектику, и эвтектическая структура имеет вид дисперсной смеси фаз. Характерная структура эвтектики приведена схематически на рисунке 6.4.

Э(Рb + Sb)

Рисунок 6.4 – Схема структуры эвтектического сплава

после завершения кристаллизации

На примере сплавов рассматриваемой системы уместно подчеркнуть, что понятия «фазовый состав» и «структура сплава» не совпадают. Так, в данном случае закристаллизовавшийся эвтектический сплав состоит из двух твердых фаз (Pb + Sb), образующих одну структурную составляющую – эвтектику Э(Pb + Sb). Фазовый состав всех сплавов данной системы после завершения кристаллизации одинаков, в то время как структура доэвтектических, заэвтектических и рассмотренного эвтектического сплавов – различна. Поэтому на рисунке 6.3, а обозначение фазового состава сплавов в твердом состоянии взято в прямоугольную рамку в отличие от обозначения их структур, приведенных без рамки.