Тема 1.3 Диаграммы состояния металлов и сплавов

Студент должен:

знать: классификацию сплавов и основные определения; диаграммы

состояния сплавов; понятие о ликвации; диаграмму состояния Fe-Fe_}C (железо-цементит), ее критические точки; классификацию железоуглеродистых сталей и сплавов.

Понятие о сплавах. Классификация и структура металлов и сплавов. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей.

Литература: (1) стр. 29...38, 80...91, (2) стр. 51...65, 118...131

Методические указания

Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, образующиеся после каждого превращения.

Разбирая диаграмму состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии не растворяются друг в друге (свинец - сурьма, олово цинк), нужно прежде всего четко разобрать, что собой представляет эвтектика. Она образует в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь фаз. Так как обе фазы кристаллизуются одновременно, при одной и той же температуре, отдельные кристаллы не успевают вырастило значительных размеров и кристаллы обеих фаз представляют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплавов не зависит, и на диаграмме образования эвтектики характеризуется горизонтальной линий.

Перед изучением диаграммы состояния сплавов, обладающих неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии,

9

разберите и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут образовываться в сплавах. Нужно запомнить, что твердые растворы - это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой одинаковые кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличии от сплавов с эвтектикой, температура и начала, и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур.

Физические, механические и технические свойства сплавов зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграммами состояния сплавов и его свойствами, установленную Н. С. Курнаковым и А.А.Бочваром (диаграммы состав - свойства). Зная эту зависимость, можно на научной основе разрабатывать новые материалы и выбирать способы изготовления изделий из разных сплавов.

Приступать к изучению диаграммы состояния железо - углерод можно только после того, как рассмотрены простые (двойные) диаграммы состояния. Повторите также аллотропические превращения железа. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Нужно как следует разобрать все превращения, протекающие и железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и получающиеся при этом структуры, особое внимание обращая на превращения в твердом состоянии.

Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит в связи с аллотропическим превращением гамма-железа в альфа-железо. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (согласно правилу отрезков). Критические точки, образующие линии GS, принято обозначать при нагреве A_cJ, а при охлаждении А_г3. По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит в связи с уменьшением растворимости углерода в гамма - железе при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию ES,принято обозначать Am. По линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь - эвтектоид, так как в разновесном состоянии гамма - железо при температуре ниже 727 °С существовать не может, а альфа - железо практически углерод не растворяет (точка Р). Критические точки, при образующие линию PSK при нагреве обозначают А_С), а при охлаждении А_г1.

Н

10

ужно знать, что в простых железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре 727 С аустенит существовать не может, он распадается на ферритно-цементную смесь (перлит). Запомните равновесные структуры железоуглеродистых сплавов: аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит. Запишите в конспекте, что они собой представляют. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое - мелкая механическая смесь, но эвтектика - продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид - продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора.

И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются твердом состоянии.

Изучая чугунную часть диаграммы, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых, и у серых чугунов, отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах графит имеет форму пластинок, металлическая основа может быть перлитной или ферритной.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните принцип построения диаграмм состояния.

2. В каких сплавах образуется эвтектика и что она собой представляет?

3. Что называется твердым раствором? Какие твердые растворы могут быть в сплавах?

4. Почему в сплавах с ограниченной растворимостью происходят превращения в твердом состоянии?

5. Какое практическое значение имеют диаграммы состав - свойства?

6. Пользуясь диаграммой железо цементит, постройте кривую охлаждения сплава, содержащего 1,3% углерода, и укажите превращения, протекающие в сплаве при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры.

7. Какая сталь называется эвтектоидной, до - и заэвтектоидной?

8. Пользуясь диаграммой железо - цементит, укажите структуру стали, содержащей 0,5% углерода, при 10ОО, 800 и 650 °С.

9. Какая разница между эвтектикой и эвтектоидом? Из каких фаз они состоят е железоуглеродистых сплавах?