Диаграмма состояний сплавов с ограниченной растворимостью

                                                          Вопрос 1

 

Начертите диаграмму состояния для  случая ограниченной растворимости компонентов  в твердом виде. Укажите структурные  составляющие во всех областях этой диаграммы  и опишите строение типичных сплавов  различного состава, встречающихся  в этой системе.

В этих сплавах в  твердом состоянии компоненты растворяются друг в друге с образованием твердых  растворов α (В в А) и β (А в В), между которыми образуется эвтектика эвт (α+β).

Однофазные области  на диаграмме:

1) жидкость L – выше линии ликвидус DCE;

2) тв. раствор α  – область 0DFK0;

3) тв. раствор β  – область NGE-100-N.

Рисунок 1 – Диаграмма состояний сплавов с ограниченной растворимостью  

 

Линии верхней части  диаграммы – образование кристаллов твердых растворов α и β.

Однако, в отличии от предыдущей диаграммы, предельное содержание компонента B в α ограничено: оно не может быть более М% В (в точке F). Аналогично, предельное содержание А в β не может быть более (100-N)% A (в точке G). То есть, в данном случае при растворении компонентов друг в друге образуются так называемые ограниченные твердые растворы α и β.

В общем случае, при снижении температуры после  достижения предела растворимости (т.е. ниже уровня FCG) предельное содержание растворенного компонента в твердом растворе может изменяться. Эта зависимость предела растворимости от температуры твердого раствора α показана линией FK, а для β – линией GN. Видно, что с уменьшением температуры возможное содержание В в α уменьшается (от М% В до К% В при 0ºС). Поэтому, при охлаждении сплавов, содержащих от К % В до М % В, ниже линии FKиз них будет выделяться оказавшаяся избыточная часть компонента В в виде кристаллов вторичного β_II(доказывается правилом отрезков), и в области KFMK сплавы будут иметь фазовый состав α+β_II.

В частном случае, показанном линией GN, предел растворимости А в β не зависит от температуры и кристаллы твердого раствора β, образовавшиеся на линии GE, будут охлаждаться до комнатной температуры без каких-либо внутренних изменений.

В средней части  диаграммы сплавы кристаллизуются  с образованием эвтектики на линии FCG. Эвтектика содержит С^/% В и кристаллизуется по реакции: L_эвт–>эвт(α+β). В доэвтектических сплавах этой области в конечной структуре сплава будут присутствовать кроме эвтектики кристаллы (α+β_II), а в заэвтектических – кристаллы β.

Структурные составляющие сплавов:

1) кристаллы α – область 0DFK0;

2) кристаллы β  – область NGE-100-N;

3) кристаллы эвтектики  эвт (α+β) – линия СС^/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             Вопрос 2

Волочение медной проволоки  проводят в несколько переходов. В некоторых случаях проволока  на последних переходах разрывается. Объясните причину разрыва и  укажите способ его предупреждения.

Волочение медной проволоки  связано с пластическим деформированием  металла. В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической    решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную ориентировку. В металле сдвиг при пластической деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Однако пластическая деформация вызывает появление и накопление в металле новых дислокаций. Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу, что в свою очередь вызывает сопротивление деформации со стороны металла, т.е. упрочнение. При этом пластичность металла снижается. В результате при волочении металла может происходить его разрушение.

Нагрев деформированного металла (для меди до 400°С) ведет к  повышению подвижности атомов, и  среди вытянутых зерен идет интенсивное  зарождение и рост новых равновесных  свободных от напряжений зерен. Новые  зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и  до полного исчезновения вытянутых  зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести  резко снижаются, а пластичность увеличивается.

Таким образом, для предупреждения разрушения при волочении медной проволоки применяют межоперационную  термическую обработку – рекристаллизационный отжиг.

 

   

 

 

 

 

 

 

                                                               Вопрос 3

 

Вычертите диаграмму состояния железо –  карбид железа, укажите структурные  составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте  кривую охлаждения (с применением  правила фаз) для сплава, содержащего 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и  как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод  начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. 

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура  чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали  при температуре ниже 727ºС имеют  структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в  виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах  в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного  и цементита первичного.

  

а)                                                б)                                         

Рисунок 2: а)диаграмма железо-цементит, б)кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,5% углерода 

 

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где      С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних  факторов (внешним фактором считаем  только температуру, так как  давление за исключением очень  высокого мало влияет на фазовое  равновесие сплавов в твердом  и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,5%С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной  температуре – Феррит + Перлит.

                                                             

 

 

 

                                                                        Вопрос 4

Вычертите диаграмму изотермического превращения  аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 200 HB. Укажите, как этот режим называется и какая структура получается в этом случае.

Изотермической  обработкой, достаточной для получения  твердости НВ = 200 для стали У8, является изотермический отжиг (рисунок 3). Структура после отжига – крупнопластинчатый перлит. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки А_с1 (А_с1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С. Структура после отжига – крупнопластинчатый перлит.

Перлитное превращение  переохлажденного аустенита протекает  при температурах A_r1 = 500ºC. В процессе превращения происходит полиморфное  -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры:

А Ф + Fe₃C = Перлит.

Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения

аустенита стали  У8 

 

Аустенит, практически  однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита  и цементита, содержащего 6,67%С, т.е. состоит  из двух фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста  частиц этого карбида прилегающий  к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное  -превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Последующий рост ферритных  пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие  -превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   Вопрос 5

 

С помощью  диаграммы состояния железо-цементит определите температуру нормализации, отжига и закалки для стали У12. Охарактеризуйте эти виды термической обработки и опишите структуру и свойства стали после каждого режима термообработки.

Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше А_ст (линия ES на диаграмме) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям широко применяют отжиг с нагревом до 740-780°С (для стали У12 до 750-770°С) и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остается большое число не растворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении.

В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), почему этот отжиг и называют сфероидизирующим. Мелкие частицы цементита при температуре отжига в интервале А₁–А_ст получаются в результате деления цементитных пластин.

Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед  закалкой.При исходной структуре  зернистого перлита меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур, меньше склонность к растрескиванию при закалке, выше прочность и  вязкость закаленной стали (мелкие глобули  равномерно распределены в мартенсите закаленной заэвтектоидной стали.