Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам




НазваниеКурс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам
страница4/24
Дата публикации13.08.2013
Размер2.37 Mb.
ТипДокументы
shkolnie.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

^ Влияние химического состава

на равновесную структуру сплавов.
Диаграммы состояния.

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:

  • формирования структуры любого сплава;

  • определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;

  • оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;

  • сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;

  • определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.


  1. Методы построения диаграмм состояния.


Диаграммы состояния строят в координатах температура – химический состав сплава. Таким образом, диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплава.

Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.
Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз (Гиббса).

Правило фаз даёт возможность:

  • предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;

  • оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;

  • указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.


Так как диаграммы состояния обычно строятся при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:
С = К + 1 – Ф

где К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы(или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Известно, что в равновесном состоянии могут быть только те составы фаз в системе, которые имеют минимальную свободную энергию (термодинамический потенциал) при данной температуре.
Если в двойной системе насчитываем число фаз больше трёх, это значит, что сплав не находится в равновесном состоянии или неправильно определено число фаз или компонентов.

^ Для однофазного состояния правило фаз не применяют.


  1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твёрдом состоянии.



Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.

    • Правило концентраций – правила определения состава фаз;

    • Правило отрезков – правило определения количественного определения фаз.





  1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику.



Эвтектическое превращение ЖC → αE + βF

  1. ^ Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно

растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику.

Перитектическое превращение Жd + βf → αc


  1. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из

компонентов.





  1. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями

компонентов и эвтектойдным превращением.

Эвтектойдное превращение γC → αE + βF


  1. ^ Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.


Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния.

Упрочнение при сохранении пластичности твёрдых растворов используют на практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве 2%) прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10%. Растворение алюминия (в количестве 5%) в меди повышает прочность сплавов в 2 раза, а пластичность остаётся на уровне пластичности меди.

Твёрдые растворы обладают и другими уникальными физическими и химическими свойствами. При растворении Ni (в количестве 30%) в железе теряются ферромагнитные свойства при температурах 20 – 25оС; раствор, содержащий более 13% Cr, делает железо коррозионностойким. В связи с этим твёрдые растворы получили широкое применение не только как конструкционные материалы, но и как материалы с особыми физическими свойствами.
Большой практический интерес представляют технологические свойства твёрдых растворов.

Сплавы в состоянии твёрдых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно – резанием. Литейные свойства твёрдых растворов, как правило, не удовлетворительны. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твёрдостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).
Закономерности, отмеченные Н.С.Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами.



  1. ^ Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Fe – C



Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe – C. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.
Имеются две диаграммы Fe – C:

  • метастабильная - Fe – Fe3C;

  • стабильная - Fe – Гр.



Компоненты и фазы в сплавах Fe - С. Железо и углерод – элементы полиморфные.
Железо с температурой плавления 1539оС имеет модификации – α и γ. Модификация Feα существует при температурах до 911оС и от 1392оС до 1539оС, имеет ОЦК решётку. Важной особенностью Feα является его феррамагнетизм ниже температуры 768оС, называемой точкой Кюри.

Модификация Feγ в интервале температур от 911 до 1392оС и имеет ГЦК решётку. ГЦК решётка более компактна, чем ОЦК решётка. В связи с этим при переходе Feα в Feγ объём железа уменьшается приблизительно на 1%. Feγ парамагнитно.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, при высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Фазы в сплавах Fe - С.

  • жидкий раствор;

  • феррит - Ф

  • аустенит - А

  • цементит - Ц

  • свободный углерод в виде - Гр.


Ф феррит - твёрдый раствор внедрения углерода в Feα. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Столь низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решётке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Механические свойства Ф: σв = 300МПа; δ = 40%; ψ = 70%; КСU = 2,5 МДж/м2; 80-100 НВ;
А аустенит - твёрдый раствор внедрения углерода в Feγ . Он имеет ГЦК решётку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решётке, поэтому растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160-200 НВ) при температуре 20 – 25оС.

Ц цементит – карбид железа Fe3C (почти постоянного состава, 6,67%С). Имеет сложную ромбическую решётку. При нормальных условиях цементит твёрд (800НВ) и хрупок. Теряет ферромагнетизм при Т = 210оС. Температура плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260оС при нагреве лазерном лучом.
Г графит – углерод (100%), выделившийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии имеет гексагональную кристаллическую решётку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен мягок.
Превращение в сплавах системы FeC. Диаграмма состояния Fe – Fe3C характеризует фазовый состав и превращения в системе железо – цементит (6,67%С). Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита.

Превращение в сплавах системы Fe – Fe3C происходит как при затвердевании жидкой фазы, так и в твёрдом состоянии. Первичная кристаллизация идёт в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов выделяется в виде карбидов (цементита).

В системе Fe – Fe3C происходят три изотермических превращения:

  • перитектическое превращение на линии HJB (1499оС)

ФН + ЖВ → АJ

  • эвтектическое превращение на линии ЕСF (1147о)

ЖС → АЕ + Ц

  • эвтектойдное превращение на линии РSК (727оС)

АS → ФР + Ц
^ ТАБЛИЦА 1. Характерные точки и линии диаграммы состояния Fe – Fe3C


Обозначение точки и линии на диаграмме

Температура, оС

^ Концентрация углерода, %

Характеристика линии

1

2

3

4

А

1539

0




АВСD







ликвидус – начало кристаллизации

АHJECF







солидус – конец кристаллизации

Н

1499

0,1




J

1499

0,16




В

1499

0,51




N

1392

0




NH и NJ- А4







Линии полиморфного превращения

D

1260

6,67




Е

1147

2,14




1

2

3

4

С

1147

4,3




F

1147

6,67




ECF

1147




Линия эвтектического превраще-

ния

G

911

0




GP и GS – А3







Линии полиморфного превращения

ES и PQ







Линии ограниченной растворимос-

ти углерода в аустените и феррите

соответственно

PSK

727




Линия эвтектойдного превращения

Р

727

0,025




S

727

0,8




К

727

6,67




Q

400

0,008

Растворимость углерода в феррите

при комнатной температуре

DFKL




6,67

Линия показывает, что Fe3C имеет

постоянную концентрацию при

любой температуре


ПРИМЕЧАНИЕ: цементит, выделяющейся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющейся из аустенита, – вторичным; цементит, выделяющейся из феррита, - третичным.


Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы:


  • стали, содержащие до 2,14% С;

  • чугуны, содержащие более 2,14% С.



Кристаллизация сталей. Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при температуре 1539оС, а сплавы железо с углеродом – в интервале температур.

При Т = 14990С протекает перитектическая реакция Фн + Жв → АJ. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуют кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идёт изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Все сплавы лежащие ниже линий NJ и , находятся в твёрдом состоянии и имеют аустенитную структуру.
Превращение сталей в твёрдом состоянии. Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка стали давлением и др.) проводят в твёрдом состоянии, поэтому более подробно рассматриваются превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).




Эвтектойдное превращение идёт при постоянной температуре (727оС) и составе фаз (феррит 0,02%С, цементит 6,67%С ), так как в процессе одновременно участвуют три фазы (Ф, Ц, А), и число степеней свободы равны нулю.

Превращения чугунов. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% С при кристаллизации происходит эвтектическое превращение.

Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав с концентрацией ^ 4,3% С – эвтектиеский белый чугун кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующая смесь этих сплавов при Т = 1147оС названа ледебуритом. Ж → А + Ц.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ^ ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектойдного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии РSК аустенит в ледебурите претерпевает эвтектойдное превращение в перлит.




Превращение в сплавах системы Fe –Гр. Чтение диаграммы состояния железо – графит принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния железо цементит. Но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Графит имеет сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяется на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой железо – графит только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni, и др.).

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

Похожие:

Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconТехнология сбис курс лекций. Объем 36 часов. Составитель: доцент коф петрГУ
Преимущества кремниевой технологии. Требования к кремнию как к материалу для микроэлектронной промышленности
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Валерий Васильевич Вандышев Уголовный процесс. Курс лекций...
В 17 Уголовный процесс. Курс лекций. — Спб.: Питер, 2002. — 528 с. — (Серия «Учебники для вузов»)
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций по предмету “Материаловедение и ткм”
Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на. 48
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconЛекция психосексуальное развитие. Возрастная динамика взаимоотношения полов 15
Основы семейной психопедагогики (курс лекций) / В. И. Короткий. — Архангельск: М'арт, 2003. — 178 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва издательство "юридическая литература" 1997
Атаманчук Г. В. Теория государственного управления. Kvpc лекций — М.: Юрид лит., 1997. — 400 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Харьков 2002 Рецензенты: директор Института социальных...
Курс лекций по истории политических и правовых учений подготовлен в соответствии с программой данной дисциплины, с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconНа научно-образовательный материал «Курс видео-лекций по дисциплине...
Рассматриваемый курс видео-лекций может быть использован в системе повышения квалификации специалистов электроэнергетического профиля,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconУтверждаю: Ректор университета, В. А. Колесников “ 5“
Преподавание курса осуществляется на 4-ом или 5-ом семестрах при общем объеме, равном 102 часам, который включает 16 часов лекций,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва инфра-м 2002 Кононенко Б. И. Основы культурологии: Курс лекций. М.: Инфра-м
В нем в доступной форме раскрываются и выделяют­ся шрифтовой гаммой основные категории и пеня;!' I, что позволит сту­дентам быстро...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconПрограмма элективного курса
Курс «История сословий в России» рассчитана на 17 часов для изучения в 10 классе профильной школы. Он охватывает период с IX до конца...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница