Введение в материаловедение

На рис. 20. точка d характеризует  предельную растворимость компонентаβ  в компонентеα , а точка с компонентаα в компонентаβ. Сплав, соответствующий точке 3, затвердевает при постоянной температуре Т4. При температуре несколько ниже жидкий сплав оказывается насыщенным по отношению к обеим фазам (α и β- твердым растворам), так как точка 3 принадлежит сразу двум ветвям ликвидуса. Поэтому из жидкости состава 3 при температуре Т4 одновременно выделяются предельно насыщенные кристаллы твердого раствора αd и βc, образующие механическую смесь.

 

Рис. 20. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику.

 

Сплавы, в которых происходит одновременная  кристаллизация α и β фаз при  постоянной и самой низкой для  данной системы сплавов температуре, называют эвтектическими. Структура, состоящая  из механической смеси двух (или  более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся  из жидкого сплава, называется эвтектикой. В переводе с греческого - “легкоплавящаяся”. Сплавы, располагающиеся влево от эвтектического состава и имеющие концентрацию в пределах точек d b 3, называются доэвтектическими, а справа в пределах концентрации точек 3 и с - заэвтектическими. 

При кристаллизации эвтектик сначала  зарождаются и растут кристаллы  α твердого раствора, богатого компонентом  А. Жидкость, окружающая этот кристалл, обогащается вторым компонентом  В, и в результате этого происходит выделение кристалликов α и β- твердого раствора. Жидкость, прилегающая к образовавшимся кристалликам β фазы, в свою очередь, обогащается металлом А, и поэтому вновь выделяются кристаллики α- фазы, богатые компонентом А. В результате переменного пересыщения жидкости по отношению кα иβ - фазам образуется эвтектическая колония.

Процесс кристаллизации эвтектики  протекает при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз  при одновременном существовании  трех фаз постоянного состава  система безвариантна. На кривой охлаждения образуется площадка. Одновременно кристаллизуются две фазы. После затвердевания сплав состоит из кристаллов эвтектики.

 

 

 

 

 

Диаграмма состояния сплавов с  перетектикой приведена на рис. 21. Линия acb на диаграмме соответствует линии ликвидус, а линия adeb - линии солидус.

Рис. 21. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перетектику.

 

Точка d характеризует максимальную растворимость компонента В в компоненте А, а точка е - предельную растворимость компонента А в компоненте В. Линия cde - линия перетектического превращения. Это превращение, как и эвтектическое, протекает в условиях существования трех фаз - жидкой и двух твердых α иβ.

Перетектическое превращение отличается от эвтектического. При перетектическом превращении кристаллизуется только одна фаза, образующаяся в результате взаимодействия ранее выделившейся твердой фазы и жидкой части сплава определенного состава (точки с). Процесс перетектического превращения происходит при постоянной температуре (f=0). Процесс кристаллизации перетектического превращения не заканчивается при температуре t3, а продолжается и заканчивается , например для сплава 2 в точке, соответствующей температуре t4. Для сплава 1 при достижении температуры t3 на лини cde выделяются кристаллы какα - так иβ - фазы. В процессе перетектического превращения α - фаза зарождается на поверхности β - кристаллов, обволакивает их и растет. В результате перетектической реакции могут образовываться не только твердые растворы, но и неустойчивые химические соединения, которые плавятся инконгруэнтно, т.е. при плавлении состав жидкого расплава не совпадает с составом соединения.

 
Понятие об эвтектоидном и перитектоидном превращениях.

В приведенных выше диаграммах рассматривались  первичные превращения, связанные  с процессом кристаллизации жидкого  сплава. При вторичной кристаллизации вследствие изменения растворимости  с изменением температуры выделяются вторичные кристаллы. Вторичная  кристаллизация наблюдается и в  том случае, если один из компонентов  претерпевает аллотропические превращения.

На рис. 22 показана диаграмма состояния  системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии  и наличием полиморфных превращений.

 

 
Рис.22 Диаграмма состояния системы  с ограниченной растворимостью 
компонентов в твердом состоянии и наличием полиморфных превращений.

 

Кристаллизация сплава 1 протекает  в интервале температур точки 1 и 2. От точки 2 сплав в форме β  твердого раствора будет охлаждаться  до точки 3. Несколько ниже точки 3 произойдет перекристаллизация сплава в твердом  состоянии по диффузионному механизму. Состав первых α- кристаллов определяется точкой “а” коноды “3а”, затем он начнет изменяться в направлении точки “Т”. Одновременно состав изменяется по линии GR от точки 3 до точки R. В точке 4 произойдет превращение оставшегося β твердого раствора состава точки R в смесь, состоящую из кристаллов α и γ- твердых растворов. Это превращение напоминает эвтектическое, так как происходит путем распада одной фазы и образования двух новых фаз. Однако распадается не жидкий, а твердый раствор. Превращение, подобное эвтектическому, происходящее путем распада твердого раствора на смесь из двух фаз называется э в т е к т о и д н ы м. От точки 4 до точки 5 происходит незначительное изменение составов твердых растворов α и γ, согласно кривым насыщения TN и MD. На линии ND произойдет новое превращение, протекающие взаимодействием двух твердых фаз α и γ с образованием третьей - твердого раствора δ. Это превращение напоминает перетектическое. Превращение, подобное перетектическому, заключающиеся во взаимодействии двух твердых фаз и образовании новой твердой фазы, называется п е р и т е к т о и д н ы м. После окончания перетектоидного превращения система будет состоять из двух твердых растворов α и β, составы которых при дальнейшем охлаждении будут изменяться по линиям NC и OJ.

Для сплава 2 эвтектоидное превращение наступит в точке 3, а перетектоидное - в точке 4.

 

 

Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение.

Диаграмма состояния системы с  наличием устойчивого химического  соединения показана на рис. 23.

 

 
Рис.23. Диаграмма состояния системы, образующей устойчивое химическое соединение.

 

В связи с особыми свойствами химического соединения на диаграмме  появляется ордината этого соединения, соответствующая его составу. На этой ординате откладывается температура  плавления этого химического  соединения t3. Ордината делит диаграмму  состояния на две части, каждая из которых представляет простейший эвтектический  тип диаграмм состояния. Химическое соединение не является компонентом, так  как образуется путем взаимодействия компонентов А и В. Выше точки 1 присутствует жидкость, несколько ниже точки 1 происходит образование и рост кристаллов AmBn. В точке 2 жидкий раствор состава Е2 будет кристаллизоваться с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов компонента А и химического соединения АmBn. В итоге кристаллизации расплав состава 1 будет состоять из кристаллов компонента АmBn и эвтектики, состоящей из кристаллов химического соединения АmBn и кристаллов компонента А.

Если химическое соединение неустойчиво, образуется диаграмма со скрытым  максимумом. Сначала будут кристаллизоваться  чистые компоненты, затем выпадут  кристаллы химического соединения. Взаимодействием двух фаз будет  образована третья: произойдет перетектическое превращение. 

 

Механические  и технологические свойства сплавов, связь с типом диаграмм состояния.

 

 

Механические и технологические  свойства сплавов связаны с типом  диаграмм состояния. Эту связь устанавливает  закон Н. С. Курнакова. В соответствии с законом Курнакова закономерность изменения свойств в зависимости  от концентрации определяется типом  взаимодействия компонентов системы  или типом диаграммы. Это представлено графически на Рис. 24. Закон Курнакова  позволяет на основании диаграммы  состояния приблизительно решать вопрос о свойствах сплавов. Например, известно, что чистые металлы обладают низким электросопротивлением. Чтобы получить сплав с высоким электосопротивлением, нужно выбрать систему сплавов второго типа, у которой (твердые растворы) свойства меняются по кривой с максимумом.

 

Понятие о  трехкомпонентных системах.

Для изображения состава тройного сплава обычно пользуются равносторонним треугольником. Точки на в вершинах обозначают чистые компоненты, каждая стороны - соответствующий двойной сплав, а плоскость - тройные сплавы. Рис. 25. Диаграмма тройного сплава для случая полной взаимной растворимости в твердом и жидком состояниях и отсутствием химических соединений изображена на рис. 26.

 

 
Рис.25 Концентрационный треугольник.

Рис. 26 Тройная диаграмма второго  типа.

Рис. 27 Политермическое сечение

 

Изучение диаграмм тройных сплавов  обычно производят при помощи горизонтальных, изотермических и вертикальных политермических  сечений, рис. 27. Имея вертикальное сечение  а-в или псевдобинарную диаграмму, можно легко находить критические  точки, строить кривые охлаждения и  представить все изменения в  структуре сплава. Недостатком политермического сечения является невозможность  определения концентрации равновесных  фаз.

Превращения в сложных системах сплавов, в которых больше трех компонентов, производится с помощью политермических  сечений, предполагаемых диаграмм (ложных двойных диаграмм). Например, система  нержавеющей стали (Fe-C-Cr-Ni-Ti) изображается построением серии двойных диаграмм Fe-C c постоянным содержанием остальных компонентов.

ГЛАВА 5.

 

Фазовые превращения  в железоуглеродистых сплавах. Диаграмма  железо-цементит. 

На рис. 28 представлена диаграмма  железо-цементит. При охлаждении железоуглеродистых расплавов происходят фазовые превращения:

1.Перетектическая реакция: α - твердый Остатки g - твердый 
раствор расплава 1493 раствор.

Точка Н + Точка В _____ Точка I  0.1 % С 0.51 % С 0.16 % С

 

Рис. 28 Диаграмма железо-цементит (метастабильная).

 

2. Эвтектическая реакция: Расплав  γ - твердый Fe3C 
Точка С 1147 С раствор + Точка F 
4,3 % С _____ Точка Е 6,67 % С 
2.06 % С

3. Эвтектоидная реакция : γ - твердыйα - твердый Fe3C 
раствор 723 С раствор + точка К 
Точка S ______ Точка Р 6,67 % С 
0.8 % С 0.02 % С

На рис. 28 - кривая ликвидуса ABCD; - кривая солидуса AHIECF; - углерод понижает температуру плавления железа (линия ABC); - железо также понижает температуру плавления углерода (и Fe3C) (V- образная форма диаграммы, D - C); - температура А4 (линия NH) растет c увеличением содержания углерода (линия N - I); - температура А3 (линия GOS) уменьшается с увеличением содержания углерода; - область γ - твердого раствора расширяется с увеличением содержания углерода.

Э в т е к т о и д  н ы й сплав: точка S = 0.83 % С = перлит. Д о э в т е к т о и д н ы е сплавы: от точки Р к точке S = 0.02 до 0.83 % С = α - Fe + перлит. З а э в т е т о и д н ы е сплавы: от точки S к перпендикуляру из точки Е= от 0.83 до 2,06 % С= Fe3C + перлит. Э в т е к т и ч е с к и й сплав: точка С = 4.3 % С = ледебурит. Д о э в т е т и ч е с к и е сплавы : от перпендикуляра из точки Е к перпендикуляру из точки С = от 2.06 до 4.3 % С = Fe3C + перлит + ледебурит. З а э в т е к т и ч е с к и е сплавы: от точки С к точке F (перпендикуляр); более 4.3% С = Fe3C + ледебурит. Положение основных точек диаграммы железо - цементит показано в таблице 1.

 

Таблица 1.  

Фазы и  структурные составляющие стали  и белых чугунов.

Основными компонентами, из которых  состоят стали и чугуны, являются железо и углерод. В системе железо цементит имеются следующие фазы: 1. жидкая фаза, 2. Аустенит- твердый раствор углерода в γ- Fe. 3. Цементит - карбид железа Fe3C. 4. Феррит - твердый раствор углерода в α- Fe.

Структурными составляющими диаграммы  железо - углерод являются:

1. Феррит (название введено по  Хоу). Может содержать в твердом  растворе только 0.00001 ... 0.000001 % С. Поэтому область его существования очень мала (узка). Максимум растворимости около 0.02 % (723 С, точка Р).

2. Перлит. Эвтектоид, состоящий из α- твердого раствора и Fe3C (ниже точки S). Мелкодисперсная смесь обеих фаз. Наименование перлит (также предложено Хоу) связано с перламутровым блеском. Происходящий при непрерывном охлаждении при 723 С эвтектоидный распад γ - твердого раствора связан с выделением при непрерывном охлаждении тонких параллельных цементитных пластин; образуется пластинчатый перлит. 

3. Ледебурит. Назван в честь Ледебура. Смесь γ - твердого раствора и цементита. Эвтектика (точка С, 4.3 % С). Сплавы, содержащие от 2,06 до 6,67 % С и имеющие в структуре ледебурит являются белыми чугунами. Возможно также следующие обозначение: ледебурит I (γ - твердый раствор и Fe3C) и ледебурит II (перлит и Fe3C).

  Формы существования цементита:

- При содержании С более 0.00001 % происходит выделение третичного цементита. При медленном охлаждении процесс идет по линии PQ. При быстром охлаждении часть углерода остается в твердом растворе, выделение третичного раствора подавляется. Форма - пластинки и прожилки, а также иголки в ферритном зерне.

- Цементит перлита. Наблюдается  уже при содержании углерода  более 0.02 %. Тонкопластинчатая форма  зерен цементита.

- Вторичный цементит. Продукт выделения  из γ твердого раствора. При  охлаждении выделение происходит  по линии ES. Форма: цементитная сетка, цементит по границам зерен. 

- Цементит ледебурита. При содержании  углерода более 2.06 % - цементит  в до- и заэвтектоидных сплавах. 

- Первичный цементит. При 4.3 % С; в общем случае появляется при очень быстром охлаждении высокоуглеродистых сплавов до комнатной температуры. Форма: длинные крупные пластины.  
Кривые охлаждения и анализ фазовых превращений железоуглеродистых сплавов.

 
          а                                      б

Рис. 29. Кривые охлаждения доэвтектоидной стали (а) и доэвтектического чугуна (б).