3. Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах. Основные типы диаграмм состояния

I. Сплавы, образующие гетерогенные структуры

Гетерогенные структуры («механическая смесь») образуются тогда, когда компоненты сплава не вступают в химическое взаимодействие и не растворяются друг в друге в твердом состоянии. Этот тип образуется при сплавлении компонентов с большой разницей атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств. Чем больше эти различия, тем меньше растворимость компонентов друг в друге.

II. Сплавы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

В твердом растворе замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки. С неограниченной растворимостью образуются твердые растворы тогда, когда сплавляемые компоненты имеют одинаковый тип кристаллической решетки, близкие параметры решетки и сходные по строению оболочки валентных электронов в атомах. Если эти условия не соблюдаются, образуется раствор с ограниченной растворимостью.

В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях кристаллической решетки растворителя. Такие твердые растворы образуются, когда атомы растворяемого компонента имеют малый радиус

Неоднородность состава внутри кристалла называют внутрикристаллической (или дендритной) ликвацией (под ликвацией вообще понимают неоднородность системы по химическому составу). Ликвация  —свойство сплавов распадаться при переходе из жидкого в твердое состояние на составные части или отдельные соединения, которые имеют различные точки плавления. Эту ликвацию можно в значительной мере устранить отжигом.

III.Сплавы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

У этих типов сплавов в той части, где имеют место однофазные области твердых растворов (области - и -фазы), механические и электрические свойства проявляют криволинейную концентрационную зависимость, как это наблюдалось у сплавов, образующих твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В двухфазных областях свойства изменяются аддитивно, как это наблюдалось у сплавов, образующих гетерогенные структуры.

IV. Сплавы, образующие химические соединения

Сплавы, образующие химические соединения одного металла с другим, называются интерметаллидами.

В месте соединения двух диаграмм можно выделить точку перелома или острие вершины – точку С, соответствующую концентрациям компонентов А и Б, при которых образуется устойчивое химическое соединение АmБn. Эту точку (C) называют сингулярной.

4. Диаграмма ?железо-цементит?

Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов Тема задания

5 Основы термической обработки

Цель нагрева – получение Аустенита

Цель охлаждения – получение желаемой структуры (Перлит – Сорбит – Троостит – Мартенсит при увеличении скорости остывания Аустенита)

6 Отжиг и нормализация стали

Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550^o; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700^o. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствие рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются.

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.

Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию (неоднородность системы по химическому составу). Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек А_С1 и А_С2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50 ^o выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.

После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатый

При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20^o в час.

Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита.

Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.

Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.

Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки А_С1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar₁, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите.

Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали.

Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1 , затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч