Название: Конструкционные материалы: Сборник лабораторных работ «Диаграммы состояния двойных сплавов»(А.Т.Булатова)

Жанр: Авиационные технологии и управление

Просмотров: 1319


1.1. основные положения теории

Диаграмма железо-углерод является краеугольным камнем металловедения и термической обработки сталей и чугунов - основных сплавов промышленности. Знание диаграммы является необходимой предпосылкой грамотного определения структуры и свойств большинства конструкционных и инструментальных сталей и чугунов, разработки режимов предварительной и окончательной термических обработок, определения температурных условий обработки давлением.

Диаграмме железо-углерод посвящено тысячи исследований. Создание диаграммы имеет богатую и интересную историю. С производством и применением стали (железа) люди познакомились еще в древности, однако только в самом конце XVIII века французом Гютоном было дано правильное определение стали как сплава железа с углеродом. Построение же самой диаграммы было начато только во второй половине XIX века и связано в первую очередь с именем русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова, который в 1868 году установил существование критических точек "а" и "Ь", соответствующих граничным температурам фазовых превращений в сталях А1 и A3. В современном виде диаграмма железо-углерод была построена только в начале XX века, а ее уточнение продолжается и в настоящее время.

В равновесных железоуглеродистых сплавах углерод, если он не растворен в железе, может присутствовать как в форме графита, так и в форме цементита. Поэтому диаграмма состояния приводится часто в двух вариантах: железо-углерод и железо-цементит. Линии истинно равновесной системы железо-графит проходят при этом несколько выше линий квазиравновесной системы железо-цементит. Самый же вид диаграммы остается тот же.

В данной работе рассматривается диаграмма системы железо-цемен-

По правилу фаз в двухфазной области L + а число степеней свободы равно С=2-2+1=1. Следовательно, в данной области независимо и без изменения числа фаз можно изменить только один фактор - температуру или концентрацию сплава, а при заданном составе сплава - только температуру. Иначе говоря, кристаллизация L в а идет при переменной (а не постоянной) температуре. В однофазных областях выше ликвидуса и ниже солидуса С=2, т.е. однофазное строение сплавов в этих областях сохраняется при независимом измен ении температуры и концентрации.

При кристаллизации жидкого раствора в твердый раствор идет выделение скрытой теплоты превращения. Поэтому скорость охлаждения здесь замедляется, что можно видеть по перегибам на кривой охлаждения в точках 1 и 2 (см. рис. 1.1 ).

сталлы твердого раствора а, состав которых определяется точкой Г (точнее - ее проекцией на ось концентраций).

От точки 1 до точки 2 идет кристаллизация жидкого раствора L в твердый раствор а. При этом средний состав зерен твердого раствора а меняется по участку солидуса Г-2, а состав (концентрация) жидкости меняется по участку ликвидуса 1-2'. Кристаллизация заканчивается в точке 2 и ниже ее имеется только а-фаза состава точки 2 (точки М). Реакция превращения жидкого раствора L в твердый раствор а записывается в виде

Li-2-->ar-2 >

где индексы показывают начальный и конечный состав соответствующей фазы. В конце кристаллизации состав твердого раствора а равен составу исходной жидкости и сплава в целом. Ниже точки 2 идет простое охлаждение без превращений.

Для количественного анализа сплава в двухфазной области используют правило отрезков. Для этого при заданной температуре проводят в двухфазной области горизонтальную линию - коноду. Проекция точки пересечения ее с солидусом показывает концентрацию (состав) твердого раствора а, а проекция точки пересечения с ликвидусом - состав жидкой фазы L, находящейся в равновесии с а фазой. Так по рис. 1.1.при температуре ta сплав М (40\%В + 60\%А) состоит из двух фаз: твердого раствора а состава точки b (30\%В + 70\%А) и жидкого раствора L состава точки с (55\%В + 45\%А).

Вторая часть правила отрезков позволяет определить относительное весовое количество этих фаз. Состав сплава М делит коноду на отрезки. Отношение отрезка, примыкающего к жидкой фазе, к длине всей коноды дает относительное весовое количество твердого раствора - q^, а отношение длины отрезка, примыкающего к твердому раствору, к длине коноды показывает относительное весовое количество жидкой фазы - qL. Так, для сплава М при температуре ta по рис. 1.1. имеем

qa= ас = 55-40 = 15 =0.6: be   55-30 25

qL =ab = 40-30 = 10 =0.4. be    55-30 25

При заданном весе плавки q, например 50 кг, весовое количество твердого раствора при этой температуре в сплаве М будет Qa=qa Q=0,6 50 = 30 кг, а весовое количество жидкой фазы QL=qL Q=0,4 50 = 20 кг.

Из изложенного выше следует, что в процессе кристаллизации жидкого раствора L в твердый раствор а от точки 1 до точки 2 составы реагирующих фаз не равны составу исходного расплава, не постоянны и непрерывно меняются. Оси первого порядка дендритных кристаллов твердого раствора, затвердевающих в первую очередь, обогащены тугоплавким компонентом А, а оси последних порядков и междендритные пространства, кристаллизующихся вблизи точки 2, обогащены легкоплавким компонентом В. При реальных скоростях кристаллизации в промышленных условиях диффузионные процессы не успевают выравнивать химический состав в пределах зерен твердого раствора. Химическая неоднородность состава зерен ос-фазы называется дендритной ликвацией. Она сильно снижает прочность и пластичность слитков и отливок. Для устранения ликвации применяют длительный диффузионный (гомогенизирующий) отжиг при температурах, близких к солидусу.

Рассмотренную диаграмму имеют сплавы системы Cu-Ni, Fe-Cr, Ti-Мо, Mg-Cd,Ag-Au и другие.