2.3.6.5. Витривалість

Визначення границі витривалості [15]. Здебільш деталі машин під час експлуата­ції навантажені циклічними (повторно змінними) силами. При цьому прикладене до деталі напруження змінюється протягом кожного циклу від заданих найменшого σ,,_ώ, (рис.2.3.14) до найбільшого σ „„„.значення. Якщо значення σ _тіп і а„„„ рівні за величиною і протилежні за знаком, то цикл напружень симетричний і коефіцієнт асиметрії циклу R_n= д/""' = -1. В усіх інших випадках маємо справу з асиметричним циклом.

Нагромадження пошкоджень у металі під дією циклічних напружень є причиною втомного руйнування. Процес втомного руйнування поділяють на дві стадії — стадію зародження і стадію росту тріщини.

витривалістю називається здатність металу протистояти втомному Руйнуванню. На втому випробовують серію гладких переважно крупТого перетину Разків або зразків круглого перетину з надрізом.

Значно рідше застосовують зразки прямокутного перетину. Один кінець зразка / (рис.2.3.15) закріплюють у гнізді 2 вала машини, другий через підшипник З — навантажують зосередженою силою F. Під час експерименту зразок обертається і сприймає знакозмінний симетричний згин. Кожен зразок випробовують при заданому найбільшому напруженні циклу σ_ηιιιχ і фіксують число циклів N до руйнування. Якщо зразок при достатньо великому—заданому базовому числі циклів не зруйнувався, то його більше не випробовують.

За результатами випробовувань будують графіки—криві втоми, або криві Велле-ра—в координатах σ— 4'N (puc.2.3.16). Кзрив&КЇОмя відображаєзалежність між максимальними напруженнями циклу й довготривалістю (числом циклів до руйнування зразка). Основний тип кривої втоми — графік з чітко вираженою горизонтальною ділянкою. Графіки такого типу притаманні чорним металам і титанові. Криві втоми з асимптотичним наближенням до осі абсцис властиві кольоровим металам.

Границею витривалості (границею втоми) σ „. є таке напбічьше напруження циклу, при якому матеріал не руйнується після як завгодно великої або заданої кількості циклів навантаження. Якщо коефіцієнт асиметрії циклу R_CT = -1, то границя, витривалості позначається як σ _;. Практично границю витривалості визначають на базі нормованого числа циклів навантаження. Для сталі база випробовування N = 10⁷ циклів, в той час як для стопів кольорових металів — N = 10^s циклів.

Розділ 4 ДІАГРАМИ СТАНУ ПОДВІЙНИХ СТОПІВ

2.4.1- Стопи

Стоном називають складну речовину, отриману здебільш стоплюванням двох Ό бітьше елементів (компонентів) перевалено металевих. Стопи можна тримати також плазмовим напилюванням, спіканням при високих температу-уіх порошків, спресованих із різних компонентів та іншими методами. Необ­хідною умовою для будь-якого методу виготовлення стопів є взаємна дифузія атомів компонентів. Ця умова найлегше задовольняється тоді, коли компо­ненти перебувають у рідкому стані й утворюють однорідні розчини на атом­ному рівні. Під час кристалізації залежно від фізико-хімічних властивостей ком­понентів їх атоми взаємодіють. В результаті такої взаємодії формуються струк­тури у вигляді:

• твердого розчину заміщення або проникнення;

• хімічної сполуки;

• механічної суміші з різнорідних кристалів тощо.

Утвердому розчині заміщення атоми розчиненого компоненту В (рис. 2.4.1,а) заміщують частину атомів компоііенту-розчштика А в його кристалічній Гратці. Кількість заміщених атомів може змінюватись у широкому діапазоні. Залежно від цього розрізняють тверді розчини з необмеженою і з обмеженою розчин­ністю. Якщо атоми одного компоненту заміщає необмежена кількість (від 0 до 100 %) атомів іншого компоненту, то утворюється необмежений твердий розчин заміщення. Відповідно з дослідженнями Юма-Розері, для утворення такого розчину необхідно вибрати компоненти, в яких:

• однаковий тип елементарної кристалічної комірки;

• різниця розмірів атомних радіусів не перевищує 8... 15 %;

• близька будова валентних атомних рівнів компонентів.

" окремих випадках навіть за виконання перелічених умов необмежені ^ВеРДІ розчини не формуються.

Необмежені тверді розчини утворюють такі пари компонентів: мідь — лото, мідь — нікель, /-залізо — вольфрам, ванадій — титан та інші.

Якщо компоненти не відповідають переліченим вище вимогам, вони мо­жуть утворювати обмежені тверді розчини заміщення. Тоді розчинність одного компонента в іншому буде падати зі збільшенням різциці атомних радіу_с;_в компонентів. Як правило, зі зниженням температури така розчинність змен­шується. Обмежена розчинність можлива навіть за наявності компонентів і₃ різними типами кристалічних комірок. У твердих розчинах заміщення атоми розчиненого компоненту розподіляються переважно невпорядковано.

Окремі тверді розчини заміщення під час повільного охолодження або тривалого нагрівання при певних температурах утворюють упорядковані тверді розчини, в яких атоми компонентів займають строго визначені положення у вузлах просторової кристалічної ґратки. Умовою повної впорядкованості атомів компонентів є співвідношення між їх кількістю, що визначається цілими числами, як, наприклад, 1:1, 1:2, 1:3 і т.д. Тоді стоп із упорядкованим розташу­ванням атомів можна умовно приписати до хімічної сполуки, зокрема CuZn (рис.2.4.2,а), СиАи (рис.2.4.2,6), Cu₃Au (рис.2.4.2,в). Коректніше впорядковані тверді розчини слід розглядати як проміжні структури між твердими розчинами й хімічними сполуками.

Коли відхилення від поданих вище співвідношень незначні, маємо лише часткову впорядкованість. Під час нагрівання вона поступово зменшується і навіть зовсім зникає.

Виникнення і зникнення впорядкованості атомів супроводжується зміною властивостей стопу. Впорядковані тверді розчини порівняно з невпорядкова-ними відзначаються підвищеними твердістю, міцністю й електропровідністю та зниженою пластичністю.

У твердому розчині проникнення атоми розчиненого компоненту В (рис.2.4.1,6) можуть перебувати в міжатомних порожнинах просторової кристалічної ґратки компоненту розчинника (металу) А.

Як відомо, в елементарних кристалічних комірках розрізняють два типи порожнин — октаедричні й тетраедричні. Кожна з октаедричних порожнин оточена шістьма атомами, розташованими у вершинах октаедра, а кожна з тетраедричних порожнин оточена чотирма атомами, у вершинах тетраедра-Якщо допустити, що будь-яка просторова ґратка збудована з жорстких куль радіусом г, що дотикаються між собою, то максимальний радіус сфери, яку можна розташувати в порожнинах ГЦК, дорівнює 0,41г і 0,225г відповідно для октаедричних і тетраедричних порожнин. Октаедричні порожнини ГІД^

<- чямо в центрі куба і посередині його ребер (рис.2.4.3,а). Тетраедричні ° _оЖнини подані на рис. 2.4.3,6.

Умовою для утворення твердого розчину проникнення є розмірний фактор _v вигляді співвідношення

-у-^<0'⁵⁹' (2.4.1)

.1/

_г радіус проникнутого атома неметалу;

,.' радіус атома металу.

Зважаючи на невеликі розміри порожнин кристалічної ґратки металу-роз-чинника, можна стверджувати, що в них можуть перебувати лише атоми неме­талів, які мають малі розміри (вуглець, азот, водень, бор).

Зазначимо, що в металах з ГЦК і ГЩУ комірками розмір найбільшої міжатомної порожнини становить 0,41/-^ і в металах з ОЦК коміркою — відповідно 0,29г_и. Ось чому метали з ОЦК коміркою практично не утворюють твердих розчинів проникнення. Тверді розчини проникнення бувають тільки обмеженими, концентрація розчиненого компонента в яких практично не перевищує 2 %. У твердому розчині проникнення вуглецю в залізі з ГЦК комір­кою — аустеніті максимальна розчинність становить 2,14 % С.

Утворення твердих розчинів супроводжується зміною параметрів криста­лічної комірки металу-розчинника, з чим пов'язують зміну властивостей твер­дого розчину. Тверді розчини проникнення отримують спотворенішу криста­лічну гратку, ніж тверді розчини заміщення. Тому зі збільшенням концентрації компоненту проникнення в них сильніше зростають твердість і міцність при одночасному зменшенні пластичності. В металознавстві прийнято позначати компоненти великими літерами латинського алфавіту (А, В, С), тверді розчини ~ малими літерами грецького алфавіту (α, β, у), а впорядковані тверді розчини — як α' β \ γ',

Хімічна сполука найчастіше утворюється з елементів, які істотно відріз-

^як>ться за будовою і властивостями. Співвідношення чисел атомів елементів,

*/° ^входять до складу сполуки, строго визначене й виражається простою

Ψ РМулою виду A_mB_n (де А і В — компоненти, а т і л — прості цілі числа).

^ементарна кристалічна комірка хімічної сполуки відмінна від кристалічних

^Μφοκ компонентів, що її утворили. Компоненти в ній займають строго

значені положення. Властивості хімічної сполуки істотно відрізняються від

властивостей компонентів Як правило, хімічним сполукам властива низька пластичність і висока твердість, яка істотно перевищує твердість компонентів На відміну від твердих розчинів, хімічні сполуки мають сталу температуру топлення (дисоціації)

Механічна суміш складається із різнорідних кристачів Така структура утворюється тоді, коли в процесі кристалізації сили взаємодії між однорідними атомами більші, ніж сили взаємодії між різнорідними атомами Як правило, в кристалічній Гратці одного компонента розчиняються в обмеженій кількості атоми іншого компонента Тоді мікроструктура стопу у вигляді механічної су міші складається зі зерен твердого розчину а (рис 2 4 4) та зерен твердого розчину β

Коли взаємною розчинністю компонентів можна знехтувати, умовно вва жають, що механічна суміш складається зі зерен компонента А та зерен компо нента В

2.4.2. Поняття про діаграми стану

Діаграмою стану називають графічне зображення стану стотв залежно від їх хімічного складу й температури

Будують діаграми в умовах максимально близьких до рівноважних Рівно важний стан характеризується мінімальною вільною енергією і виникає під час дуже повільного охолодження або нагрівання Відхід від рівноважних умов призводить до нагромадження у стопі надлишку вільної енергії і водночас до певних змін у його структурі

Діаграми стану несуть цінну інформацію про температури топлення (кристалізації) і про наявність або відсутність структурних перетворень у твер дому стані Діаграми знаходять широке практичне застосування у промисловості (ливарне виробництво, гаряча обробка тиском, термічна та хіміко-термічна обробки, обґрунтування вибору того чи іншого стопу для конкретних умов експлуатації тощо)

2.4.3. Правило фаз

Правило фаз виражає кількісну залежність між: чисчом ступенів вільносгШ С, кількістю компонентів Κ ι кількістю фаз Ф, що перебувають у рівновазі й ι загальному вигляді описується рівнянням

С = Κ + 2 - Ф, (2 4 2)

. _число зовнішніх змінних параметрів (температура й тиск)

фазою називається однорідна (гомогенна) частина стопу, яка має певний

цний склад, кристалічну будову (виняток становить рідкий стан) ι вчасти-спи В металевих стопах фазами можуть бути хімічні елементи, тверді й рідкі озчини на їх основі та хімічні сполуки

Система — це будь-яка речовина, що ск іадається із компонента або стопу аданого складу, або сукупності нескінченно веіикоі кількості стотв, утворених певними компонентами Система характеризується температурою і масовими частками компонентів

Компонент системи — це речовина, що утворює стоп До компонентів належать хімічні елементи або стійкі хімічні сполуки

Ступінь вільності — чисчо незалежних один від одного визначальних факторів рівноваги (концентрація температура, тиск) які можна змінювати в певних межах без зміни кількості фаз

Оскільки зміни атмосферного тиску практично не впливають на фазову рівновагу металевих стотв, то одним із двох зовнішніх факторів (тиском) можна знехтувати й тоді рівняння (2 4 2) набуває такого вигляду

С = К + 1-Ф (2 4 3)

Залежно від того, як взаємодіють між собою компоненти в рідкому та твердому станах і які структури вони при цьому утворюють, розрізняють різні типи діаграм Найпоширеніші з них будуть розглянуті нижче

2.4.4. Діаграма стану стоків, компоненти яких утворюють необмежені тверді розчини

Діаграми стану стопів з необмеженими твердими розчинами утворюють компоненти, які розчиняються необмежено ι в рідкому, ι в твердому стані Необмежена розчинність компонентів у твердому стані забезпечується вико­нанням умов Юма-Розері (див η 2 4 1) Система Cu — Ni є прикладом діаграми стану стотв, які утворюють необмежені тверді розчини

Компоненти системи — мідь і шкечь Фази системи: рідкий розчин Ρ та а-твердий розчин.

Розглянемо методику побудови діаграми стану стопів на прикладі системи

Cu Ni Побудову виконаємо у такій послідовності Спочатку нарисуємо у

вбраному масштабі систему координат, відклавши на осі ординат температуру

Ірис 2 4 5 б) і на осі абсцис — зміну в стопі концентрації одного з компонентів,

приклад, Ni Очевидно, що початок осі абсцис відповідає 100 % Cu (0 % Ni), a

кінець — ЮО % Ni Згодом за експериментальними даними, отриманими в

поважних умовах, нарисуємо в коодинатах температура t — час τ криві

°лодження Cu (рис 2 4 5,a), Ni (рис 2 4 5 в) та декількох їх cfoniB різної

нцентрацп (рис 2 4 5,а,в) Температурні горизонтальні ділянки А'- А" і

В' - В" на кривих охолодження чистих металів і точки перегину /', 2\ 3\ 4\ 5' <' на кривих охолодження стопів є критичними температурами, в межах яки відбувається процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла. Отже кристалізація починається в точках А', /' 3', 5', В' й закінчується в точках Α" γ 4', 6', В". Вище і нижче згаданих точок маємо відповідно рідкий Ρ і твердц« α-розчини, а між ними — обидва названі розчини.

Числові значення критичних температур перенесемо на відповідні вертикальні лінії концентрації К,(0 % Ni), К₂(25 % Ni), К₃(50 % Ni), K₄(75 % Ni), К₅(100 % Ni) (див. точки А, /, 2, 3, 4, 5, 6, В нарис.2.4.5,6). З'єднавши плавною кривою точки А, 1, 3, 5, В, отримаємо лінію початку кристалізації, або лінію ліквідує і з 'єднавши точки А, 2, 4, 6, В, отримаємо лінію кінця кристалізації, або лінію солідус. Очевидно, що вище лінії ліквідує маємо фазу Р, нижче лінії солідус — фазу а, а між цими лініями — Ρ + а.

2.4.5. Правило відрізків

Правило відрізків дозволяє визначити склад фаз і кількісне співвідношення міме ними при різних температурах у двофазовій області діаграми. В однофа-зовій області правило відрізків не застосовується.

Перше положення правила відрізків можна сформулювати так. Для знаходження складу рівноважних фаз у будь-якій точці через неї проводять 98

пряму, паралельну до осі складу, яка перетинається з лініями, що

^К°!^Ю ■ >ють дану двофазову область; проекція точки перетину з лінією ліквідує °^оМЄ}. _складу покаже концентрацію компонентів у рідкому розчині, а проекція ^{Нп в} '■ перетину з лінією солідус — концентрацію компонентів у твердому розчині. ^ιη°^4Κη ,_ге положення правила відрізків допомагає вичислити масову частку ої з двох фаз при заданій температурі. Масова частка одної фази у вибраній ^К ' дорівнює відношенню довжини відрізка, що межує з областю іншої фази, ν, Лпвжиии всього відрізка — коноди.

Простежимо за процесом кристалізації стопу концентрації К₂ (рис. 2.4.6, б). При температурі точки О стоп є в однофазовій області рідкого розчину Р. В точці 1 починається кристалізація стопу і в точці 2 вона закінчується. Нижче від точки 2 жодних структурних перетворень у стопі немає.

Виберемо на лінії концентрації К₂ точку а. В названій точці в рівновазі перебувають дві фази — рідкий розчин Ρ і твердий розчин а. Щоб визначити склад фаз при температурі точки а, скористуємось першим положенням правила ^ВіДрізків і проведемо через цю точку горизонтальну лінію до перетину з лініями ліквідує в точці b і солідус в точці с. Спроектувавши на вісь складу ці точки,

99

отримаємо точки b_t і с_р які показують склад рідкого й твердого розчині» відповідно. Аналогічно при температурі початку кристалізації склад рідког₀ розчину визначається точкою 1_р а при температурі кінця кристалізації — _Точ_ кою d_r Відповідно склад твердого розчину при температурі початку кристалізації показує точка /_; і при температурі кінця кристалізації — точка 2_;.

Таким чином, склад рідкого розчину в процесі кристалізації змінюється По лінії ліквідує на відрізку Id, а склад твердого розчину — по лінії солідус на відрізку/2. Якщо кристалізація відбувається у рівноважних умовах, то вирів­нюється хімічний склад твердого розчину завдяки дифузії, в результаті чого при температурі точки 2 весь твердий розчин буде мати склад цієї точки.

Масова частка Q рідкого розчину Ρ для точки а у відповідності з другим положенням правила відрізків становить:

Q = -^- · 100 % (2.4.4)

be

і масова частка Q_r твердого розчину а —

Q=^— -100%. (2.4.5)

be

Крива охолодження стопу концентрації К, (рис.2.4.6,в) складається із трьох ділянок: верхньої, що лежить над точкою /', середньої — між точками Ґі 2' та нижньої — під точкою 2'. У межах верхньої та нижньої ділянок маємо одну фазу

• рідкий розчин Ρ та твердий розчин а відповідно, а в межах середньої ділянки

• одночасно обидві названі фази (Ф=2). Кут нахилу середньої ділянки до осі абсцис менший, ніж відповідні кути нахилу верхньої та нижньої ділянок, що пов'язано з ефектом виділення прихованого тепла кристалізації. Середня ділянка починається в точці 1Ί закінчується у точці 2'. Кристалізація стопу в деякому інтервалі температур характерна для моноваріантної рівноваги, коли число ступенів вільності дорівнює одиниці (С = К+ 1 - Φ = 2 + 1-2= 1).

Крива охолодження міді (рис. 2.4.6,а) складається також із трьох ділянок: верхньої, середньої та нижньої. У межах середньої ділянки між точками А' і Α"(ί=1Ο83 °С) маємо одночасно дві фази — кристали міді й рідину. Таке співіснування двох фаз (Ф=2) в однокомпонентній (К=1) речовині можливе тільки при сталій температурі, коли число ступенів вільності дорівнює нулю, що підтверджується правилом фаз (С = К+1-Ф=1 + 1-2 = 0).

2.4.6. Діаграма стану стопів, компоненти яких

утворюють обмежені тверді розчини та евтектику

Діаграми стану стопів з обмеженими твердими розчинами та евтектикою

утворюють компоненти, які в рідкому стані розчиняються необмежено, α β твердому стані обмежено і здатні до евтектичного перетворення. У системах ³ обмеженими твердими розчинами компоненти помітно відрізняються розмір^а" ми атомів, фізико-хімічними властивостями, а також кристалічною будовою-тобто в них відсутні умови для формування необмежених твердих розчинів-

_еНу розчинність можуть мати як тверді розчини заміщення, так і тверді ^М ни проникнення. Однією з діаграм цього типу є діаграма системи А1 — Si. ^⁰³ К мпоненти системи — алюміній і кремній. Фази системи: рідкий розчин Р, ердий розчин Si в А1 і β-твердип розчин А1 в Si.

Г г· . . , , , , __

Кристалізація стопів починається на лінії ліквідує АЕВ (рис.2.4.7) і закін­чується на лінії солідус ACEDB. При цьому на ділянці АЕ лінії ліквідує утворюються кристали а,, а на ділянці ЕВ — кристали Д. Між лініями ліквідує і солідус у рівновазі одночасно перебувають дві фази: зліва від точки Ε — рід­кий розчин Ρ і кристали α_ν справа від точки Ε—рідкий розчин Ρ і кристали/З,. Склад рідкого розчину Ρ при зниженні температури змінюється по лініях АЕ і BE, а склад твердих розчинів a_t і β_ι — по лініях АС і BD відповідно. При температурі 577 °С, що відповідає лінії CED, кристали α мають склад точки С (1,65% Si), кристали β— склад точки D (0,5% А1), а рідкий розчин Ρ — склад точки Ε (11,7 % Si). Як бачимо, лінії АЕ, BE і CED перетинаються в точці Е, яка належить обом ділянкам лінії ліквідує і одночасно співпадає з лінією солідус. Рідкий розчин складу точки Ε (Ρ_Ε) при температурі 577 °С зазнає евтектичного перетворення за реакцією:

і — S77 °С·

Р_е_______{Жг + /3о}. ₍2.4.6)

Стоп, у якому відбувається одночасно кристалізація двох фаз при сталій

^>Пемпературі, називають евтектичним, а утворену за реакцією (2.4.6) дрібну

^вофазову структуру — евтектикою. Під час евтектичного перетворення згід-

"° ³ правилом фаз (С = К+1-Ф = 2+1-3 = О), існує нонваріантна рівновага.

^нваріантна рівновага характеризується тим, що всі перетворення відбу-

^ак>ться при сталій температурі.

Користуючись правилом відрізків (див. п.2.4.5), можна показати, що рідк_и-розчин стопів в інтервалі концентрацій С — D (1,65...99,5 % Si), при досягнену температури 577 °С набуває складу точки Е. А рідкий розчин названого склад під час охолодження зазнає евтектичного перетворення на всій лінії CED. Отже в момент закінчення евтектичного перетворення, доевтектичні стопи правіщ' від точки С і лівіше від точки Е, мають структуру [а_|с+ евт(а_с + ДД евтектичні стопи складу точки Ε — структуру [евт(а_с + /5_D)1, а заевтектичні стопи , щ₀ лежать правіше від точки Ε і лівіше від точки D — структуру [/5_ш+евт(а_с+/у].

Однією з особливостей діаграми даного типу є структурні перетворення у твердому стані, про що засвідчують лінії CG і DF, розташовані нижче від лінії солідус. CG є лінією граничної розчинності Si в А1, a DF — лінією граничної

розчинності А1 в Si. На цих лініях маємо насичені тверді розчини, а лівіше від CG і правіше від DF — ненасичені тверді розчини. Зі зниженням температур» гранична розчинність одного компонента в іншому зменшується, внаслід°^к чого виділяються вторинні кристали.

Отже, вторинною кристалізацією називається виділення кристалі⁶ надлишкової фази із твердого розчину внаслідок зменшення розчинності одного

ента в іншому зі зміною температури. Вторинним кристалам прис-

^Аа" кяь індекс II (α,,, β_η) на відміну від первинних кристалів (а, Д), що

^В°;г пись із рідкого розчину. Евтектичний стоп К₃ зазнає перетворення за

*" '' -_а0 (2.4.6). Під час охолодження його до кімнатної температури із

^исталів евтектики ай β виділяться вторинні кристали β_η й а_п.

^КР заевтектичний стоп К₄ кристалізується аналогічно столові К₂. Виберемо на

■ ї складу К₄ точку Ь, яка лежить у двофазовій області між лініями ліквідує і

nvc Проекція точки а коноди на лінію складу показує процентний вміст

емнію в рідкому розчині і проекція точки с— вміст кремнію в твердому розчині.

Масова частка Q рідкого розчину Ρ для точки b за правилом відрізків становить

Q = -^— · 100 % (2.4.7)

^р ас

і масова частка Q_t твердого розчину β —

Q_T=— 100%. (2.4.8)

ас

Структура заевтектичного стопу після повного охолодження:

[Д_г+а_1ІС + евт(а_с + Д_1к + ^+а_І1с)]. Криві охолодження для стопів Kj, K₂, К₃ і К₄ зображені яа.рис.2.4.8,б,г.

2.4.7. Діаграма стану стопів з перитектичним перетворенням

Діаграму стану стопів із перитектичним перетворенням утворюють компоненти, які розчиняються необ.шжено в рідкому стані, обмежено — в твердому стані п здатні до перитектичного перетворення. Перитектичним називається перетворення, коли в результаті взаємодії рідкого розчину Ρ з раніше утвореним твердим розчином β при сталій температурі утворюється новий твердий розчин а.

Компоненти системи — хімічні елементи умовно позначені як А і В. Фази системи: рідкий розчин Ρ та тверді розчини а і β .

Схему діаграми з перитектичним перетворенням бачимо на рис. 2.4.9, б. Тут MJD є лінією ліквідує і EFLD — лінією солідус. На ділянці DC лінії ліквідує випадають первинні кристали β , й на ділянці СЕ — первинні кристали а,. Первинна кристалізація твердого розчину β , закінчується на ділянці DL лінії ^с°лідус і первинна кристалізація твердого розчину а, — на ділянці FE.

Правило відрізків показує, що для всіх стопів в межах концентрацій С — L

Р^и зниженні температури до лінії CFL рідкий розчин Р_с відповідає складові

^т°чки С, а твердий розчин β _ц — складові точки L. На лінії CFL відбувається

^еР^ипгектичне перетворення: рідкий розчин Р_с / твердий розчин β ^утворюють

^гнший твердий розчин a _IF за реакцією:

P_c+fl_L* ^U ><V ₍₂₄₉₎

Отже, в перитектичній реакції беруть участь три фази, вона нонваріант (С = К+1-Ф = 2+1-3 = 0), тобто відбувається при сталій температурі Лінія CFL, на якій йде перитектична реакція, називається лінією перитектич ного перетворення. Щоб у момент закінчення реакції (2.4.9) стоп складавс лише з кристалів α _|Κ, необхідно мати на початку реакції кількість рідкого розчину Р_с, пропорційну довжині відрізка FL і кількість твердого розчину β ^ пропорційну довжині відрізка CF. Коли ця умова не виконується, залишається надлишок непрореагованої фази (Р_с або /J_]L).

Гранична розчинність у твердому стані компонента В в компоненті А від­повідає лінії FM і гранична розчинність компонента А в компоненті В — лінії LN. Зі зниженням температури від ί_ρ до кімнатної виділяються вторинні кристали β _и і а _п відповідно із твердих розчинів а ,і β _ґ

У стопі концентрації K_t між точками 1 і 2 утворюються первинні кристали β _ν Водночас склад рідкого розчину змінюється по лінії /С, а твердого розчину — по лінії I1L. У точці 2' (рис.2.4.9,а) розпочинається перитектичне перетво­рення відповідно з реакцією (2.4.9), а в точці 2" воно закінчується. Стоп має більше рідкого розчину Р_с (відрізок 2L), ніж це необхідно для перитектичноі реакції (відрізок FL), тобто 2L > FL. Надлишок рідкого розчину Ρ , Щ° залишився після перитектичноі реакції, поступово переходить у твердий розчин а_у між точками 2" і З'. Зміна складу рідкого розчину відбувається по лінії С9\ твердого розчину— по лінії ¥3. У точці 4 твердий розчин а, стає насиченим. Тому коли далі знижати температуру від точки 4 до кімнатної із первинних кристалів а, виділяються вторинні кристали β _ц. При цьому склад твердого розчину a_t змінюється по лінії 4М..

стопом перитектичного складу. В ньому первинна кристалізація з виді-β розпочинається у точці 5 і закінчується у точці F без надлишкової фази, пенн '_ами j" і F" відбувається перитектичне перетворення. Коли далі ^'^Ж жувати, із кристалів с^ виділяються вторинні кристали β _и по лінії FM. °^X°V топі концентрації К₃ між точками 7 і 8 йде первинна кристалізація, а між ми 8' і 8" — перитектичне перетворення. Склад рідкого розчину Ρ ^т0. _юється по лінії 7С і склад твердого розчину β _f — по лінії ML. При ^ЗМ пературі t кількість кристалів β_χ (відрізок 8С) більша, ніж це потрібно для ^ТЄритектичної реакції (відрізок FC), тобто 8С > FC.

Перитектичні перетворення зустрічаємо в подвійних системах Zn — Cu, _Sn __ Cu та інших.

2.4.8. Діаграма стану стопів з утворенням хімічної сполуки

Діаграму стану стопів з хімічною сполукою утворюють компоненти, які розчиняються необмежено в рідкому стані, обмежено — в твердому стані, а їх атоми помітно відрізняються розмірами, кристалічною будовою і властивостями. Відомо декілька різновидів діаграм з утворенням хімічної сполуки. Нижче ми зупинимось на такому з них, де взаємна розчинність компонентів у твердому стані й у хімічній сполуці мала і нею знехтуємо.

Компоненти системи — хімічні елементи умовно позначені А і В. Фази системи: рідкий розчин Р, кристали компонентів А і В та кристали хімічної сполуки A_nB_m.

π

Н&рис.2.4.10 подано діаграму стану з утворенням тривкої хімічної сполуки. Тривкою вважають таку сполуку, яка під час нагрівання не розкладається і топиться при сталій температурі. CEjDEjF є лінією ліквідує і ME₁NKE₂L — лінією солідус діаграми. На ділянці CE_t лінії ліквідує випадають кристали А, ча ділянці EjDEj — кристали хімічної сполуки A_nB_m на ділянці E₂F — кристали компонента В. На ділянках ΜΓ^Ν і KE₂L лінії солідус відбувається відповідно Два евтектичні перетворення:

Р_Е| ^{t = tE1} >A+AJB_m; (2.4.10)

Цю діаграму можна трактувати як дві об'єднані діаграми з утворенням евтектик. Перша з них має компоненти А та A_nB_m, а друга — компоненти А В і В. Розмежовує діаграми вертикальна лінія, що впирається в гостру вершин"¹ лінії ліквідує. Ця вершина є температурою топлення хімічної сполуки.

2.4.9. Про зв'язок властивостей стопу з типом діаграми

Як було показано вище, кожен тип діаграми характеризує певна структура яка зазнає відповідних змін залежно від кількісного співвідношення компонентів. Відомо також, що існує зв'язок між структурою стопу та його властивостями. Рис.2.4.11 ілюструє цей зв'язок для діаграм різних типів.

Тверді розчини а і β твердіші (рис.2.4.11,а,б) і міцніші, ніж компоненти А і В. Зі збільшенням частки другого компоненту в однофазовому твердому розчині твердість зростає нелінійно. Для діаграми необмежених твердих розчинів при певній концентрації компонента В твердість досягає найбільшого значення після чого зменшується (рис. 2.4.11, а). В межах існування двох фаз (а і β) на діаграмах обмежених твердих розчинів з евтектикою залежність власти­вість— склад стає лінійною (рис.2.4.11,6).

У стопах з утворенням хімічної сполуки (рис.2.4.11,в) максимальну твердість має сполука A_nB_m. В межах концентрацій компонент А — хімічна сполука або хімічна сполука — компонент В твердість спочатку зростає, а потім зменшується лінійно.

Подані залежності не можна вважати універсальними, оскільки вони опи­сують властивості стопів переважно у рівноважному стані й часто не врахо­вують таких структурних особливостей, як дефекти кристалічної будови, роз­міри й форма зерен, дисперсність фаз тощо. Водночас використання подібних залежностей навіть спрощених істотно полегшує роботу над створенням нових стопів зі заданими властивостями й сприяє раціональному застосуванню наявних.

Розділ 5 ДІАГРАМА СТАНУ ЗАЛІЗО - ВУГЛЕЦЬ

Серед металевих матеріалів стопи заліза з вуглецем — сталі й чавуни — ' оширеніші. Вони широко використовуються в усіх галузях промисловості. V 'язку з цим ретельний аналіз діаграми залізо — вуглець має важливе теоре­тичне й прикладне значення.

2.5.1. Компоненти залізовуглецевих стопів

Компонентами залізовуглецевих стопів є два хімічні елементи — залізо та

вуглець.

Залізо — сріблясто-білий метал з температурою топлення 1539 °С і густи­ною 7,87-10³ кг/м³. Йому властива добра пластичність, невисока міцність і мала твердість. Залізо може мати дві кристалічні модифікації: модифікацію γ(ГЦК) в інтервалі температур 911... 1392 °С і модифікацію а(ОЦК) при температурах, нижчих за 911 °С та в межах високих (1392...1539 °С) температур. Високотем­пературну модифікацію іноді позначають буквою 5.

Вуглець може перебувати в стопах у цементиті Fe,C, у твердих розчинах проникнення, а також у вигляді графіту. Графіт має просту гексагональну кристалічну комірку з координаційним числом 6 (Г6). Він відзначається низькою міцністю та поганою пластичністю.

2.5.2. Фази системи залізо — вуглець

До фаз системи залізо — вуглець належать: рідкий розчин Р, ферит Ф, аустеніт А і цементит Ц.

Рідкий розчин Ρ — однорідна рідина, що складається із заліза та вуглецю. Рідкий розчин існує як окрема фаза над лінією ліквідує, а між лініями ліквідує та солідус він перебуває у рівновазі з кристалічною фазою (феритом, аусте­нітом або цементитом).

Ферит Φ — твердий розчин проникнення вуглецю в α-залізі. Розрізняють низькотемпературний α-ферит й високотемпературний δ -ферит. Максималь­на розчинність вуглецю у а -фериті становить 0,02 % і в δ -фериті — 0,1 %. , Така незначна розчинність пояснюється малими розмірами порожнин в об'ємо-Центрованому кубі заліза проти розмірів атома вуглецю.

Аустеніт А — твердий розчин проникнення вуглецю в у-залізі з макси­мальною розчинністю 2,14% С. Атом вуглецю може перебувати в центрі ГЦК. Аустеніт не магнітний, досить пластичний і має твердість за Брінеллем в межах ^І700...2200МПа.

Цементит Ц — хімічна сполука заліза з вуглецем Fe,C, яка відповідає концентрації вуглецю 6,67 %. Твердість цементиту дуже висока («000 НВ), його ^Температура топлення становить 1260 °С.

2.5.3. Діаграма стану залізо - вуглець

Діаграма стану залізо—вуглець охоплює залізовуглецеві стопи, які міспгяіц від 0 до 6,67 %С. Ці стопи мають широке промислове застосування. Коли масова частка вуглецю становить 6,67 %, утворюється тривка хімічна сполука Fe C-^ карбід заліза або цементит. Fe,C можна розглядати як окремий компонент системи залізо — цементит. Стопи з концентрацією вуглецю, що перевищ_Уе 6,67 %, практично не використовуються через їхні незадовільні механічні влас­тивості.

Діаграму залізо — вуглець бачимо нарис.2.5.1. В координатах температу. pa t — концентрація компонентів нанесені лінії діаграми, на кожній з яких від­буваються певні структурні перетворення. Розглянемо ці перетворення у процесі охолодження. На лінії ліквідує ABCD маємо початок, а на лінії солідус AHJECF

• кінець кристалізації. При цьому на ділянці АВ лінії ліквідує рідкий розчин переходить у ферит, на ділянці ВС — в аустеніт, а на ділянці CD—у цементит первинний Ц,. Кристалізація фериту закінчується на ділянці АН, а аустеніту

• на ділянці JE лінії солідус. Зупинимось окремо на двох перетвореннях, що відбуваються при сталих температурах на лініях HJB і ECF.

1 В*.

При температурі 1499 °С (лінія HJB) відбувається перитектичнареакція, «

процесі якої із фериту Φ концентрації вуглецю в точці Η (0,1 %С) і рідкого розчину Ρ концентрації вуглецю в точці В (0,5 %С) утворюється аустеніт '■ концентрації вуглецю в точці J (0,16 %С):

мпературі 1147 °С (лінія ECF) рідкий розчин Ψ концентрації складу Ш^{и ІПЄ} , ₀/₀Q евтектично перетворюється, внаслідок чого виникає дрібна _тОчки ( Структура, що називається ледебуритом Л: двоф"³⁰⁶

(2.5.2)

на лінії солідус закінчується первинна кристалізація і нижче від цієї • -^починається вторинна кристалізація. ^тНП_Вторинна кристалізація викликана двома причинами: поліморфізмом заліза; температурною зміною розчинності вуглецю у фериті та аустеніті.

Як відомо, під час поліморфних перетворень один тип кристалічної комірки

₆ вується _в інший. На лінії HN маємо початок перетворення фериту ІОІІЮ в аустеніт (ГЦК), а на лінії NJ —кінець такого перетворення. В свою

rv на лініях GS і GP аустеніт починає і закінчує перетворюватись у ферит.

У зв'язку з цим нижче від лінії GP маємо однофазову феритну структуру з

онцентрацією вуглецю до 0,02 %. -Залізовуглецеві стопи з кількістю вуглецю

lid 0 до 0,02 % які при температурі 727 °С (точка Р) мають лише однофазову

феритну 'структуру, називають технічним залізом.

В свою чергу залізовуглецеві стопи з концентрацією вуглецю від 0.02 до 2,14 % які при температурі 1147 °С (точка Е) мають лише однофазову аустенітну структуру, називають сталями. Пластичність аустеніту висока, тому сталі добре обробляються тиском, особливо коли їх нагріти вище від ліній GSE.

Розчинність вуглецю в аустеніті й фериті залежить від температури. ES є аінією граничної розчинності вуглецю в аустеніті. Зі зниженням температури від 1147 °С (точка Е) до 727 °С (точка S) максимальна розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 до 0,8 %. Вуглець виділяється із γ-заліза з утворенням вторинного цементиту Ц_ц. Очевидно, що лівіше від лінії ES маємо ненасичені тверді розчини, на самій лінії—насичені, нижче від неї—насичені тверді розчини й вторинний цементит, який на відміну від первинного цементиту виділяється не з рідкого, а з твердого розчину.

PQ—лінія граничної розчинності вуглецю у фериті. Зниження температури від 727 °С (точка Р) до 0 °С (точка Q) зменшує максимальну розчинність вуглецю У фериті від 0,02 до 0,006 %, що спричиняє виділення із фериту третинного цементиту Ц . Ось чому справа від лінії PQ маємо насичений ферит і цементит

третинний.

Окремо зупинимось на еетектоїдному перетворенні, яке нагадує евтектичне, але відрізняється від останнього тим, що в його основі лежить розпад не рідкого, а твердого розчину. Йдеться про розпад аустеніту складу точки S, внаслідок чого утворюється дуже дрібна двофазова ферито-цементитна структура, яка називається перлітом П:

(2.5.3)

У сталях в інтервалі концентрацій вуглецю Ρ—S аустеніт перетворюється У Ферит, починаючи від температур лінії GS і закінчуючи температурою лінії

PSK. При цьому аустеніт збагачується вуглецем відповідно до лінії GS і _Пг. температурі 727 °С зазнає евтектоїдного перетворення за реакцією (2.5.3)

Під час охолодження сталей, що лежать правіше від точки S, в ме>к_а температур, які відповідають лінії ES, із аустеніту виділяється вторинниг цементит. У процесі виділення вторинного цементиту (6,67 % С) концентраці вуглецю в аустеніті зменшується по лінії ES і при температурі 727 °С аустеніт-0,8 % С перетворюється в перліт.

За структурою у рівноважному стані розрізняють доевтектоїдні, евтектоцщ; та заевтектоїдні сталі.

Доевтектоїдні сталі містять від 0,02 до 0,8 % вуглецю і мають ферито-перлітну структуру у вигляді світлих зерен фериту (рис.2.5.2,а) і темних зерен перліту.

Евтектоїдна сталь містить 0,8 % вуглецю, її структура — зерна перліту-що складаються, як правило, із пластинок цементиту й фериту. Пластинки цементиту порівняно тонші і світліші (рис.2.5.2,б).

Заевтектоїдні сталі містять від 0,8 до 2,14 % вуглецю. В структурі цих ста­лей є зерна перліту темного кольору (рис.2.5.2,в) і тонка світла сітка вторин­ного цементиту по границях зерен перліту.

Залізовуглецеві стопи з концентрацією вуглецю від 2,14 до 6,67 % називаються чавунами. Якщо весь вуглець у чавунах перебуває у вигляді хімічної сполуки Fe₃^· то такі чавуни називають білими. В структурі білих чавунів присутній ледебурит, що утворився на лінії ECF в процесі евтектичної реакції (2.5.2)^ Чавуни, розташовані зліва від точки С, по закінченні первинної кристалізаШ¹

ть структуру первинного аустеніту та ледебуриту, а відповідно чавуни ^Μί ■ ва від точки С — структуру первинного цементиту й ледебуриту. Під час ^СП лодження в інтервалі температур від 1147 °С (лінія ECF) до 727 °С (лінія °ЧК) гранична розчинність вуглецю в первинному аустеніті й аустеніті

ктики зменшується від 2,14 % (точка Е) до 0,8 % (точка S) і виділяється

оинний цементит. При температурі 727 °С аустеніт з концентрацією вуглецю

η g % евтектоїдно перетворюється у перліт.

За структурою білі чавуни поділяються на:

• евтектичні (4,3 % С), структура : видозмінений ледебурит;

• доевтектичні (2,14...4,3 % С), структура : перліт + вторинний цементит + видозмінений ледебурит;

• заевтектичні (4,3...6,67 % С), структура: цементит первинний + видозмі­ нений ледебурит.

Отже, в структурі всіх білих чавунів наявна евтектика — ледебурит дуже твердий (—6500 НВ) і малопластичний. Ледебурит сформований з окремих зе­рен— колоній, а кожна колонія складається із суцільної цементитної матриці ^ (рис.2.5.3) і вкраплень аустеніту 2 (перліту). Вкраплення евтектичних структур оувають у вигляді пластинок (рис.2.5.3,а), стрижнів (рис.2.5.3,6) або глобулів 'Р^ис-2.5.3,в). Аустеніт у структурі ледебуриту є переважно у вигляді стрижнів 'Р^ис2.5.3,б), які в перетині залежно від орієнтації колоній до полірованої поверхні мікрошліфа можуть мати подовгувату (рис.2.5.3,г)., овальну ■Р^ис-2.5.3,д) або круглу (рис.2.5.3,е) форму.

У структурі евтектичного білого чавуну (рис.2.5.4,а) бачимо колонії, перлітні стрижні яких потрапили:

• в поперечний перетин (верхня ліва та центральна частини фотографії);

• в поздовжній перетин (верхня середня частина фотографії);

• у скісний перетин ( верхня права частина фотографії). Матриця цементиту на фотографії світла, а стрижні перліту — темні.

У структурі доевтектичного білого чавуну (рис.2.5.4,6) є порівняно великі -зерна перліту, що утворились із первинного аустеніту і ледебурит—цементит-на матриця з дрібними вкрапленнями перліту. Вторинний цементит злився з цементитом евтектики, тому не вдається його розрізнити як окрему структурну складову.

У структурі заевтектичного білого чавуну (рис.2.5.4,в) великі голчасті світлі зерна первинного цементиту оточує ледебурт.