 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ Научиться анализировать фазовые превращения при охлаждении сплавов двойных систем: твердых растворов, эвтектического типа; изображать схемы микроструктур сплавов. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Микроструктура сплава формируется в процессах кристаллизации расплава, фазовых превращений и структурных изменений в твердом состоянии, происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке. Несмотря на многообразие факторов, влияющих на формирование микроструктуры сплава, важнейшие ее особенности можно предсказать, используя диаграмму состояния, так как именно диаграмма состояния дает сведения о характере фазовых превращений и их последовательности при нагревании и охлаждении сплава. Вместе с тем следует помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается во времени и в неравновесных условиях (при ускоренном охлаждении, при больших степенях пластической деформации и т.д.). Далее приведены сведения о типичных структурах, которые необходимо знать, прежде чем приступить к изучению микростроения промышленных сплавов. СИСТЕМА С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ Диаграмма состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 1.
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы Верхнюю кривую на диаграмме называют линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы системы А-В однофазны и находятся в жидком состоянии (Ж). Нижнюю кривую диаграммы называют линией солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы однофазны и состоят из кристаллов a-раствора. В интервале температур между кривыми ликвидуса и солидуса, называемом интервалом кристаллизации, или интервалом плавления, все сплавы состоят из двух фаз: жидкости и кристаллов a-раствора. Кривые ликвидуса и солидуса – это геометрическое место точек, отвечающих температурам начала и конца кристаллизации различных сплавов системы А-В. Кроме того, эти кривые отображают составы равновесных фаз (Ж и a) в различных сплавах и интервале их кристализации, т.е. изображают составы насыщенных один относительно другого жидких и твердых растворов. Рассмотрим процесс кристаллизации сплава Х. При температуре выше t1 (температура начала кристаллизации) этот сплав представляет собой ненасыщенный жидкий раствор. Как только температура сплава понизится с температуры t1, жидкий раствор станет насыщенным относительно a-кристаллов и понижение температуры ниже t1 приведет к выделению из жидкости состава точки 1 первичных кристаллов a-раствора состава точки 1’, расположенной на кривой солидуса. Составы жидкости и выпавших из нее a-кристаллов изменяются при понижении температуры от t1 до t2 в соответствии с кривыми ликвидуса и солидуса: жидкость – от точки 1 до точки 2’, a-кристалл – от точки 1’ до 2. Следовательно, в интервале кристаллизации в объемах сосуществующих фаз должна протекать выравнивающая диффузия. Рассмотренный процесс первичной кристаллизации сплава Х можно записать как:
При температуре конца кристаллизации (t2) последние следы жидкой фазы (состава точки 2’) исчезнут и сплав будет состоять из a-кристаллов (состава точки 2). При охлаждении от температуры t2до комнатной в сплаве не происходит фазовых превращений. После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора a, состав которых соответствует составу сплава (рис. 2). Зерна под микроскопом могут иметь неодинаковый цвет (более темный или более светлый), т.к. в сечении шлифа попадают различные кристаллографические плоскости по-разному ориентированные в пространстве кристаллов. Аналогичную структуру будут иметь все однофазные сплавы, а также чистые компоненты. Поэтому по структуре однофазного материала после равновесной кристаллизации нельзя определить что это: сплав, раствор или чистый металл. Форма и размеры зерен не являются специфическими для того или иного сплава, а зависят от условий кристаллизации.
Рис. 2. Схема структуры однофазного сплава Х.
ЭВТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ При температуре tе в системе А-В (рис. 3, 4) протекает эвтектическое превращение
Это превращение происходит во всех сплавах, расположенных по составу между точками а и b. Горизонталь аb и точку е на этой горизонтали называют эвтектическими, а смесь кристаллов (aа + bb), которые выделяется из жидкости при эвтектической кристаллизации, – эвтектикой. Кривые аа1 и bb1, показывающие как изменяется растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии при понижении температур от эвтектической до комнатной, называют сольвусами a и b – твердых растворов. Сплавы, расположенные левее точки е, называют доэвтектическими. Сплавы, расположенные правее точки е – заэвтектическими. Сплав, состава точки е, называют эвтектическим, или просто эвтектикой.
Рис. 3. Фазовая диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено
Рис. 4. Структурная диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено Кристаллизация граничных a и b – растворов в сплавах, состав которых находится в интервале А-а1 и В-b1, протекает также, как сплав системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Эти сплавы однофазны, поэтому их структура аналогична структуре, представленной на рис. 2. Сплавы, состав которых находится в интервалах а1с и db1, не претерпевают эвтектического превращения. Рассмотрим процессы фазовых превращений на примере сплава Х1. В интервале температур t1 – t2 сплав Х1 кристаллизуется как граничный a – твердый раствор, идет первичная кристаллизация.
При охлаждении от температуры t2до температуры t3 в нем не протекают никакие фазовые превращения. Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса аа1, граничный a – раствор состава точки 3 станет насыщенным относительно граничного твердого раствора b состава точки 3’. Поэтому при дальнейшем понижении температуры от t3 до комнатной из a – кристаллов, изменяющих свой состав по кривой 3а1, выделяются вторичные кристаллы b – фазы, состав которых будет изменяться по кривой 3’ b1. Этот процесс можно записать так:
При комнатной температуре кристаллы a-фазы состава а1 окажутся в равновесии с кристаллами b состава b1. Доля обеих фаз по правилу рычага измеряется отношением отрезков. x1b1/a1b1(a) и a1x1/a1b1(b) Под микроскопом в структуре сплава Х1 можно увидеть кристаллы двух видов: первичные кристаллы a – раствора (основа сплава) и вторичные b –кристаллы. Вторичные выделения образуются по границам и внутри зерен исходной фазы a. Вторичные выделения обычно имеют пластинчатую или иглообразную форму, иногда они имеют вид тонких прослоек или компактных частиц, располагающихся по границам первичных зерен (рис. 5). В сплаве Х1имеются две структурные составляющие первичные кристаллы a – фазы и вторичные кристаллы b. Под структурными составляющими в сплавах понимают такие самостоятельные элементы их микроструктуры, которые при рассмотрении под микроскопом имеют свое характерное однородное строение. Для сплава Х1 понятие “структурная составляющая” и “фаза” совпадают, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно a или b – фаза.
Рис. 5. Схемы структуры сплава Х1 с вторичными выделениями пластинчатой формы Более сложную структуру имеют до – и заэвтектические сплавы, в которых помимо первичных a – или b – кристаллов, выделяется эвтектика В заэвтектическом сплаве Х2 процесс первичной кристаллизации пройдет по схеме:
Из оставшейся жидкости Же выделяется эвтектика – смесь кристаллов (aа+bb), т. е. По окончании кристаллизации сплав Х2 состоит из первичных кристаллов bb, эвтектики (aа+bb). Так как при эвтектической температуре сплав Х2 состоит из кристаллов предельно насыщенных aа- и bb-растворов, а с понижением температуры взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается, то при охлаждении до комнатной температуры их b –кристаллов (первичных и эвтектических) будут выделяться вторичные a –кристаллы, а из эвтектических a –кристаллов – соответственно вторичные b –кристаллы. Возможные варианты микроструктуры сплава Х2 показаны на рис. 6.
Рис. 6. Схемы структур заэвтектического сплава Х2 с эвтектикой и первичными Первичные b – кристаллы могут иметь четкую огранку (рис. 6а) или дендритную форму (рис. 6б). Вокруг первичных b – кристаллов видна вторая структурная составляющая – эвтектика (a + b), имеющая пластинчатое или другое строение. Внутри первичных кристаллов b в небольшом количестве находится третья структурная составляющая – вторичные a –кристаллы. Выделения вторичных кристаллов в эвтектике незаметны, так как сама эвтектика достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Структура других заэвтектических сплавов аналогична разобранной. Различие состоит лишь в соотношении объемов в структурных составляющих. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Изображение диаграмм состояния двойных систем с нанесением ординат заданных сплавов. 4. Кривые охлаждения этих сплавов. 5. Схемы микроструктур сплавов. 6. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Опишите процесс первичной кристаллизации в сплавах – твердых растворах. 2. Какова микроструктура однофазного сплава после равновесной кристаллизации? 3. Как определить долю эвтектики и первичных кристаллов по диаграмме состояния? 4. Что такое эвтектика? Какое строение она имеет? 5. Какие структурные составляющие имеют до и заэвтектические сплавы? 6. Какова возможная форма выделений вторичных кристаллов? ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Разобраться с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и нагреве. НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме. Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит. Аустенит (обозначают A или g) – твердый раствор внедрения углерода в Feg. Имеет ГЦК – решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200). Феррит (обозначают Ф или a) – твердый раствор внедрения углерода в Fea. Имеет ОЦК – решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 °C), при 20 °C менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 °C, твердость (HB 80-100). Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 °C. Превращения в железоуглеродистых сплавах Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.
Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде). Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF). Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения: Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °C) ЖС> (АЕ+ЦF); Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °C) AS > (ФР + ЦК) . Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом(Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом(П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость. Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210). Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах. Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении. ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Области диаграммы состояния Fe – Fe3C Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений. I – Жидкий раствор (Ж). СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название работы.
Рис. 2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C с нанесенной ординатой 6. Схема микроструктуры контрольного сплава при нормальной температуре. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое фаза? ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ СПЛАВОВ
|
, а при охлаждении в твердом состоянии в интервале температур от tе до комнатной их a - и b - кристаллов выделяются вторичные кристаллы a - и b - кристаллы.
.
.
