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

Жанр: Авиационные технологии и управление

Просмотров: 1354


1.3. диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Компоненты: А и В (К=2), фазы L - неограниченный жидкий раствор компонентов А и В друг в друге, а- неограниченный твердый раствор компонентов А и В друг в друге (Фтах=2). Общий вид диаграммы и кривая охлаждения сплава М приводится на рис. 1.1.

На диаграмме верхняя кривая АВ называется ликвидусом, а нижняя кривая - солидусом. Ликвидус - геометрическое место точек начала кристаллизации или конца плавления всех сплавов системы, выше его сплавы находятся в однородном жидком состоянии. Солидус - геометрическое место точек конца кристаллизации или начала плавления всех сплавов системы, ниже его все сплавы находятся в состоянии однородного твердого раствора а. Между этими линиями сплавы имеют двухфазное строение и состоят из жидкости и кристаллов твердого раствора а. Точки А и В соответствуют температурам плавления чистых компонентов А и В.

Рассмотрим кристаллизацию одного из сплавов, например М (40\%В+ +60\%А). Выше точки I сплав М находится в жидком состоянии. В точке I он становится насыщенным относительно а-фазы и при малейшем понижении температуры из жидкости L начинают выделяться кримерно такие же, как и у чистого железа. В сталях феррит может присутствовать и как самостоятельная структурная составляющая ? и как основная часть (фаза) сложных структурных составляющих типа перлит и ледебурит.

Аустенит - твердый раствор углерода в ^-железе. Максимальное содержание углерода в аустените - 2,14\% при 1147 °С (точка Е на диаграмме железоуглерод). Аустенит обладает невысокой прочностью и хорошей пластичностью. Характерной особенностью аустенита является его способность к упрочнению при деформации. Аустенит немагнитен. В сталях и чугунах аустенит может присутствовать и как самостоятельная структурная Составляющая, и как составная часть (фаза) сложной структурной составляющей - ледебурита.

Перлит - двухфазная структурная составляющая, представляющая собой эвтектоидную смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8\% С. В зависимости от формы цементита различают пластинчатый и зернистый (глобулярный) перлит. Пластинчатый перлит по сравнению с зернистыми характеризуется несколько большей прочностью и твердостью (а=820-860 МПа и НВ(190-220) против а =700-750 МПа и НВ(60-90)) и меньшей пластичностью (5=10-11\% против 14-16\%).

Ледебурит - двухфазная структурная составляющая, представляющая собой в области температур от 1147 до 727 °С эвтектическую смесь цементита и аустенита. Ледебурит содержит 4,3\% С. При охлаждении, при температуре 727 °С аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Ледебурит отличается большой твердостью (НВ 7000) и хрупкостью.

Вся диаграмма состояния железо-углерод образована линиями, имеющими определенные наименования и ограничивающими характерные по структуре области.

Линия ABCD - линия ликвидуса, показывающая начало кристаллизации.

Линия HJB - линия перитектического превращения (Ф+Ж)=А при температуре 1499 °С.

Линия ECF - линия эвтектического превращения Ж=(Ц+А) при температуре 1147 ГС.

Линия PSK -линия эвтектоидного превращения А=(Ц+Ф) при температуре 727 "С, обозначаемая через Аг

Важными для понимания формирования структур сталей являются линии нижнего стального угла диаграммы.

Линия GS показывает температуры начала выделения феррита из аустенита при охлаждении или окончания растворения феррита в аус-тените при нагреве. Последние обозначаются через Аг3 и Ас3 соответственно.

Линия SE показывает температуру начала выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении или окончание растворения вторичного цементита при нагреве. Последние обозначаются через Аст.

Линия PQ показывает температуру начала выделения третичного цементита из феррита при охлаждении или окончание растворения третичного цементита в феррите при нагреве.

У всех сплавов, содержащих более 2,14\% С,кристаллизация заканчивается при температуре 1147 "С эвтектическим превращением, после которого структура сплавов с содержанием углерода от 2,14\% до 4,3\% будет состоять из аустенита и ледебурита, а сплавов с содержанием углерода свыше 4,3\%-из первичного цементита и ледебурита. Структура сплава с 4,3\% углерода будет чисто ледебуритной.

У сплавов с содержанием углерода до 2,14\% непосредственно после кристаллизации образуется однофазная аустенитная структура. Указанное различие в структурах, образующихся в результате кристаллизации, создает существенные различия как в эксплуатационных, так в технологических свойствах сплавов с содержанием углерода до 2,14\% и свыше 2,14\%. Все железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14\% называют сталями, а с большим - чугунами. В качестве примера рассмотрим процесс формирования структур в сплаве с 1,4\% С (см. рис.3.1 и 3.2 ).

В исходном высокотемпературном состоянии (точка 1) сплав имеет одну жидкую фазу. Число степеней свободы для точки 1:С=К+1-Ф=2+1-1=2. Состав жидкой фазы соответствует составу сплава. В точке 2, лежащей на линии ВС, начинается процесс кристаллизации. Выделяются первые кристаллики аустенита состава, соответствующего проекции 2' на ось концентраций. Выделение аустенита сопровождается выделением скрытой теплоты плавления, что отражается в уменьшении угла наклона кривой охлаждения при понижении температуры.

Весь процесс первичной кристаллизации идет в интервале температур, ограниченном точками 2 и 4. В точке 3 сплав имеет двухфазную структуру, состоящую из жидкости концентрации, определяемой точкой 3", и аустенита концентрации, определяемой точкой 3'. Отношение количества жидкой фазы к количеству аустенита определяется по правилу отрезков gж/gA=3-3'/3-3", где 3-3' и 3-3" - длина отрезков между указанными точками.

Число степеней свободы для точки 3 составляет: С=2+1-2=1. В интервале температур между точками 4 и 5 сплав имеет однофазную структуру - аустенит. Число степеней свободы для этой области температур: С=2+1-1=2.

Начиная с температуры точки 5 и до температуры точки 7,из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените при этом понижается и при температуре точки 7 становится равной 0,8\%, т.е. концентрации эвтектоида. Изменение концентрации углерода в аустените можно проследить по линии ES. В точке 6 структура сплава двухфазная и состоит из аустенита и вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените соответствует точке 6', в цементите-формуле Fe3C. Относительное количество аустенита и вторичного цементита определяется отношением qA=6-6"/6'-6", qun=6'-6/6'-6". Число степеней свободы С=2+1-2=1.

При температуре точки 7 начинается и заканчивается эвтектоидное превращение. Весь аустенит превращается в эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита, перлит. Содержание углерода в перлите - 0,8\%. На кривой охлаждения эвтектоидное превращение отражается горизонтальной ступенькой, протяженность которой соответствует времени протекания превращения. Число степеней свободы при прохождении превращения С=2+1-3=0.

Перлит представляет собой двухфазную структурную составляющую. По окончании эвтектоидного превращения структура сплава состоит из зерен перлита, окруженных сеткой вторичного цементита. Отношение количества перлита ко вторичному цементиту определяется формулой gn/guII=K-7/S-7=5,27/0,6=8,78. Правило рычага позволяет нам определить и относительное количество фаз в структуре, т.е. относительное количество феррита и цементита g0/g4=7-K/P-7=5,27/l,38=3,82.

Феррит содержит 0,02\% углерода, что соответствует проекции на ось концентраций точки Р. При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до комнатной температуры его микроструктура не изменится, хотя и будет идти процесс выделения из феррита третичного цементита. Выделений третичного цементита не будет видно, так как последний присоединяется ко вторичному цементиту и цементиту перлита.

В точке 8 структура, как и после завершения эвтектоидного превращения, будет состоять из зерен перлита, окруженных сеткой вторичного цементита. Относительное количество структурных составляющих и фаз примерно такое же, как и для точки 7. Число степеней свободы: С=2+1-2=1.

Подробное описание формирования структуры и фазовых превращений при охлаждении и нагреве сплавов системы железо-углерод различного состава даны в учебнике (1).

 

КОНТРОЛИРУЕМЫЙ МИНИМУМ ЗНАНИЙ, НЕОБХОДИМЫЙ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Вид диаграммы железо-углерод.

Понятия: компонент, фаза, структурная составляющая.

Полиморфные превращения железа.

4.         Определение фаз и структурных составляющих в железо-углеро-

дистых сплавах.

Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения.

Определение стали и чугуна.

Правило фаз и правило рычагов (отрезков).

8.         Структурные составляющие доэвтектоидных, эвтектоидных и за-

эвтектоидных сталей.