uzluga.ru
добавить свой файл
1

1. Вычертите диаграмму состояния системы висмут- сурьма. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния. Опишите процесс кристаллизации сплава, содержащего 50% сурьмы и 50% висмута.




Диаграмма состояния Bi—Sb представляет собой простую диаграмму с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом и жидком состояниях. Температурный интервал кристаллизации возрастает с увеличением концентрации Sb и достигает максимума при эквиатомном содержании компонентов. Простой тип взаимодействия компонентов в этой системе делает ее привлекательной для термодинамических расчетов. Сплав эквиатомного состава имеет структуру типа As с параметрами примитивной ромбоэдрической элементарной ячейки а = 0,4601 нм, α = 57,15°.

На диаграмме состояния имеются две линии: А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса a твердого раствора; А'nB' – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса a твердого раствора.

Э


Рис. 2. Кристаллизация двухкомпонентного сплава: а) диаграмма состояния системы А–В; б) кривые охлаждения и нагревания сплава Х

ти линии делят всю диаграмму состояния на три фазовые области. Выше линии ликвидуса располагается область однофазных жидких растворов, ниже солидуса – область однофазных твердых растворов. Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж+α).

Рассмотрим процессы, которые будут происходить в сплаве Х при его квазистатическом охлаждении (рис. 2а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответствующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой критической точки t1 сплав будет оставаться однофазным.

При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает точке m, начнут выделяться кристаллы α твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового состояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристаллизации. Температура t1 – температура ликвидуса сплава Х.

Выделение первых кристаллов из жидкости в процессе квазистатической кристаллизации происходит при температуре ликвидуса, поэтому можно считать, что на кривой ликвидуса находятся фигуративные точки таких жидких растворов, которые при соответствующих температурах являются насыщенными относительно кристаллов α твердого раствора. Эти насыщенные жидкие растворы и соответствующие им кристаллы α твердого раствора будут находиться друг с другом в равновесии. В нашем случае в начальный момент квазистатической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся жидкий раствор (Жm) и кристаллы твердого раствора αk, состояние которых описывается фигуративными точками m и k.

Вариантность такого двухфазного состояния в двухкомпонентном сплаве при постоянном давлении равна С=К-Ф+1=2-2+1=1. Поэтому двухфазное состояние в двухкомпонентном сплаве может существовать в интервале температур. Это означает, что процесс квазистатической кристаллизации твердого раствора в сплаве будет происходить в интервале температур.

Ввиду того что выпадающие из жидкости кристаллы α-твердого раствора содержат меньшее количество компонента А, чем сама жидкость, последняя в процессе кристаллизации будет обогащаться компонентом А.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая α-твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз, будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз. Таким образом, , где mЖ и mα – масса соответственно жидкой и твердой фаз. Из этого уравнения следует, что , , где mспл – масса сплава.

Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100%, а отрезки cf и fd – массам α-фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам α-фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов a фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t2. Следовательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигуративная точка α твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n. Процесс кристаллизации является второй стадией процесса охлаждения сплавов. Он может быть записан в виде реакции



Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит. Эта третья стадия охлаждения может быть записана аналогично первой стадии: . При квазистатическом нагревании сплава Х последовательность процессов, происходящих в нем, будет обратной. Кривые охлаждения и нагревания образца сплава Х (рис. 2б) в интервале температур от t1 до t2 изменяют свой ход, что связано с выделением или поглощением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения или нагревания сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие между кривыми охлаждения различных сплавов заключается лишь в температурах критических точек.

2. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,6% С. Как этот сплав называется? Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз.




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 γ) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК – решетку, растворяет углерода до 2,14%, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Feα. 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.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита. Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограниченных 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> (АЕF);

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 (Лпр). 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 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. AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. CD – линия выделения первичного цементита. AE – заканчивается кристаллизация аустенита. ECF – линия эвтектического превращения. GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727°C). GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита. PSK – линия эвтектоидного превращения. ES – линия выделения вторичного цементита. PQ – линия выделения третичного цементита.

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).

II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).

IV – Кристаллы аустенита (А).

V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI – Кристаллы феррита (Ф).

VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).

VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).

IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).

XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).

XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Лпр).

XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).

XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI) перлита (П) и ледебурита превращенного (Лпр).

Содержание углерода 1,6% отвечает составу заэвтектоидной стали. От температуры несколько ниже линии ликвидус до 1147°С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. До температуры t10 (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t10  727C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 С достигает точки S (0,8%С). Максимальное количество вторичного цементита:

% Цвторичн.= (2,14  0,8) 15 18

Ниже 727С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8%С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025%С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита.

В реальной стали с 1,2%С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6%.

% Цвторичн. = (1,2  0,8) 15 = 6

При медленном охлаждении цементит, как правило располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Выделение вторичного цементита в виде сетки или игл делает сталь хрупкой. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре ― цементит (вторичный) + перлит.

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.



Выберем участок графика, соответствующей области заэвтектоидной стали и для некоторой произвольной температуры проведём коноду АС, как показано на рисунке



Таким образом, имеем в точке В (т.е., в точке пересечения коноды с линией 1,6% цементита) число степеней свободы C = K + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1.

Отношения . Следовательно, система состоит на 59,9% из жидкости и на 40,1% из аустенита. Содержание цементита в жидкости ― 0,8%, в аустените ― 2,2%.

Список использованной литературы


  1. Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия черных металлов ― М.: Металлургия, 1986 ― 360 с.

  2. Полевой Г. В., Сухинин Г. К. Газопламенная обработка металлов. ― М.: Академия, 2005 ― 333 с.

  3. Стерин И. С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки ― М.: Политехника, 2003 ― 344 с.