Диаграммы состояния сплавов

Диаграммы состояния сплавов дают возможность правильно выбрать сплав, характеризуют его поведение при обработке, физические и механические свойства. Существуют различные типы диаграмм состояния в зависимости от числа компонентов и характера их взаимодействия друг с другом в твердом состоянии.

Для сплавов, состоящих из двух компонентов, выделяют четыре основных типа диаграмм состояния.

Диаграмма состояния 1-го рода характеризует сплавы (например, свинца с сурьмой), у которых компоненты в жидком виде полностью растворимы, а в твердом образуют механическую смесь.

Диаграмма состояния 2-го рода соответствует сплавам, у которых компоненты и в жидком, и в твердом состоянии неограниченно растворимы друг в друге (например, сплав меди и никеля).

Диаграмма состояния 3-го рода характеризует сплавы, компоненты в которых в жидком виде неограниченно растворимы, а в твердом состоянии ограниченно растворимы друг в друге (например, сплавы медь – серебро, сурьма – германий и др.)

а) кривые охлаждения; б) диаграмма состояния сплавов Рв – Sв

Рисунок 3- Построение диаграммы сплавов

свинец – сурьма по кривым охлаждения

Диаграмма состояния 4-го рода соответствует сплавам, которые в процессе кристаллизации образуют химическое соединение (например, сплав медь – германий).

На рисунке 3 показано, как по кривым охлаждения, полученным методом термического анализа, можно построить диаграмму 1-го рода для сплавов свинец – сурьма.

Кривые охлаждения соответствуют: 1 – чистому свинцу; 2 – сплаву состава 95% Рв, 5% Sв; 3 – сплаву состава 90% Рв, 10% Sв; 4 - сплаву эвтектического состава: 87% Рв, 13% Sв; 5 – сплаву состава 60% Рв, 40% Sв; 6 – чистой сурьме. Свинец кристаллизуется при 327°С, сурьма – при 631°С. Их кристаллизация отмечена горизонтальным участком кривых 1 и 6.

Первый сплав (кривая 2) начинает кристаллизоваться при 300°С с выделением крупных избыточных кристаллов свинца. Оставшаяся часть сплава по мере охлаждения обедняется свинцом, и , когда концентрация сурьмы возрастет до 13%, при постоянной температуре 246°С кристаллизация закончится с одновременным выпадением кристаллов свинца и сурьмы.

Второй сплав (кривая 3) кристаллизуется аналогично первому, но точка начала кристаллизации у него ниже, а заканчивается кристаллизация также при 246°С, когда концентрация сурьмы достигает 13%.

Третий сплав (кривая 4) кристаллизуется полностью при одной температуре (246°С) с одновременным выпадением кристаллов свинца и сурьмы. Четвертый сплав (кривая 5) начинает кристаллизоваться при 500°С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. В жидком сплаве сурьмы становится все меньше, и, когда ее содержание снизится до 13%, при 246° произойдет окончательная кристаллизация.

Все точки начала и конца кристаллизации с кривых охлаждения перенесем на диаграмму свинец-сурьма. Соединив все точки начала кристаллизации, получаем линию АСВ. Эта линия называется линией ликвидус. Все сплавы при температурах выше линии ликвидус находятся в жидком состоянии. Линия МСN называется линией солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. В интервале температур между ликвидусом и солидусом в любом сплаве имеются две фазы: жидкий сплав (ж.с.) и крупные первичные кристаллы одного из компонентов. В области МАС структурными составляющими являются жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области CBN- жидкий сплав и кристаллы сурьмы.

Сплав, содержащий 13% сурьмы и кристаллизующийся при постоянной температуре 246°С, называется эвтектическим. Он имеет самую низкую для данной системы сплавов температуру кристаллизации, а его структура представляет собой мелкокристаллическую механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы (эвтектику). Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы,

называются доэвтектическими, а более 13% сурьмы – заэвтектическими.. В структуредоэвтектическихсплавов наряду с эвтектикой имеются кристаллы свинца, в заэвтектических – наряду с эвтектикой кристаллы сурьмы.

С помощью правила фаз и правила отрезков можно проводить анализ диаграмм состояния различных сплавов, т.е. определять фазовый и структурный состав заданного сплава при любой температуре и концентрации компонентов, а также характер зависимости ряда физико-механических свойств сплавов от типа диаграммы состояния того или иного сплава.

2.3 Диаграмма состояния железо – цементит

В различных областях техники наиболее широко применяют железо-углеродистые сплавы – стали и чугуны. Состояние этих сплавов при различных температурах в зависимости от концентрации компонентов описывается в графической форме диаграммой железо-цементит.

Железо – металл серебристого цвета. Температура плавления 1539°С (±5°С); высокопластично (d =50%, y =85%), но обладают малой прочностью (s_в=250 МН/м²) и небольшой твердостью (НВ 80); ударная вязкость КС = 30 МДж/м². Железо может находиться в двух модификациях: a - железо и g - железо. Модификация a - железо существует в интервале температур от 20°С до 911°С и от 1392°С до 1539°С.

Углерод – твердое вещество, бесцветное. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях. В железоуглеродистых сплавах может находиться в виде свободного графита и химически связанного соединения – карбидов железа ( и ), наиболее устойчивым из которых является - цементит, содержащий 6,67% углерода.

Графит – полиморфная модификация углерода, мягок, имеет низкую прочность и электропроводность. В зависимости от характера кристаллизации углерода поведение системы железо-углерод может описываться диаграммами двух видов: железо - графит и железо – цементит, обусловленными различными скоростями охлаждения. При медленном охлаждении состояние железоуглеродистых сплавов описывается диаграммой железо – цементит, имеющей большое практическое применение для изучения сталей. Она

позволяет определить количественный (%) и качественный (тип структуры) состав структурных составляющих в любом агрегатном состоянии; установить критические точки, отвечающие превращениям в любом железоуглеродистом сплаве в зависимости от температуры и концентрации компонентов; выбрать сплавы с нужной температурой плавления; определить температуры начала и конца горячей обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки, прессования); установить температуру нагрева сталей для всех видов термической обработки (отжига, нормализации, закалки и отпуска закаленной стали, термомеханической обработки).

При металлографическом исследовании сталей и чугунов с помощью металлографического микроскопа можно обнаружить следующие составляющие микроструктуры.

Феррит – твердый раствор углерода в a - железе, является наиболее пластичной структурной составляющей стали. Феррит имеет низкую прочность и твердость (НВ 80 – 100), но высокую пластичность , повышенные магнитные и коррозионные свойства. Максимальная растворимость углерода в a - железе составляет 0,025%. В микроструктуре феррит имеет вид светлых зерен.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом ; содержит 6,67% углерода, температура плавления 1600°С, имеет очень высокую твердость НВ 800, но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. При обычных температурах цементит слабомагнитен, при 217°С магнитные свойства теряются. Чем больше в сплаве цементита, тем он тверже, но более

хрупок. Под микроскопом цементит имеет вид темных округлых зерен, темной или светлой сетки, расположенной по границам зерен, или выглядит в виде игл.

Аустенит – твердый раствор углерода в g - железе. Предельная растворимость углерода в g - железе 2,14%. Аустенит существует только при высоких температурах (выше 727°С) При более низкой температуре он распадается с образованием других структур, немагнитен, обладает высокой

химической стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию и большой вязкостью. Аустенит имеет невысокие твердость (НВ 160-200) и прочность , но высокую пластичность (относительное удлинение .

Перлит – эвтектоидная мелкозернистая механическая смесь феррита с цементитом. Перлит обладает невысокой твердостью (НВ 160-200) удовлетворительной прочностью , незначительной пластичностью . В структуре перлита цементит присутствует в виде зерен или параллельных пластин, поэтому различают зернистый и пластинчатый перлит. Зернистый перлит имеет более высокую твердость, чем пластинчатый. Под микроскопом перлит можно отчетливо рассмотреть только при увеличениях более чем в 500 раз.

Ледебурит–механическая смесь кристаллов, образующаяся из жидкой фазы определенного состава (4,3 % С). при температуре 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита; ниже 727°С ледебурит состоит из перлита и цементита, т.е. также из двух фаз, но только уже из феррита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянно и равно 4,3 %. Ледебурит обладает высокой твердостью, прочностью, но малой пластичностью. Ледебурит всегда присутствует в структуре белого чугуна.

Диаграмма представлена на рисунке 4.

Линия АВСD – линия ликвидус. Выше этой линии стали и чугуны находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу).

Линия AHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Все сплавы, содержащие более 2,14% С (чугуны), затвердевают или начинают плавиться при одной и той же температуре 1147°С (линия ЕСF).

При охлаждении сплавов ниже линии HJE образуется аустенит. Точка G на температурной оси чистого железа соответствует температуре, при которой происходит превращение g - железа в a - железо (911°С).

Линия GS соответствует началу превращения аустенита в феррит в сплавах с содержанием углерода до 0,8%.Критические точки, лежащие на линии GS, обозначают (при нагреве – , при охлаждении – ), на линии SE - . Линию PSK, отвечающую температуре 727°С (линию конца распада аустенита на феррит и цементит), называют также линией перлитного превращения. Критические точки, лежащие на этой линии, обозначают (при нагреве – , при охлаждении – ), в точке при 727°С и содержании 0,8% углерода происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси частиц феррита и цементита (перлита).

Сплавы, содержащие 0,8% углерода называют эвтектоидными сталями; до 0,8% - доэвтектоидными сталями и от 0,8 до 2,14% углерода – заэвтектоидными сталями. Схемы микроструктур этих сталей представлены на рисунке 5.

Разница между эвтектической и эвтектоидной смесями заключается в том, что эвтектика (продукт первичной кристаллизации) образуется при одновременной кристаллизации двух фаз из жидкого раствора (ледебурит в чугунах). Эвтектоид – продукт вторичной кристаллизации – образуется при распаде твердого раствора (например, перлит из аустенита в сталях).

Таким образом, доэвтектоидные стали ниже 727°С имеют структуру, состоящую из феррита и перлита.

Линия ES при охлаждении соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита. Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующегося из жидкой фазы, называют вторичным. Структура заэвтектоидных сталей состоит из перлита и вторичного цементита.

Ниже линии ES (1147°С ) при содержании в сплавах 2,14-4,3 % углерода из аустенита, пересыщенного углеродом, выпадает вторичный цементит.

а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) заэвтектоидной.

Рисунок 5 – Схемы типичных микроструктур сталей

При содержании углерода 4,3 % и температуре 1147°С жидкий раствор кристаллизуется с образованием эвтектической смеси – ледебурита. Сплавы, содержащие 4,3 % углерода называют эвтектическими чугунами; 2,14-4,3 % углерода - доэвтектическими . Их структура состоит из перлита + цементита вторичного + ледебурита (фазы – феррит и цементит). Сплавы с содержанием 4,3-6,67 % углерода называют заэвтектическими чугунами. Их структура состоит из цементита и ледебурита.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И