123056 (Диаграмма состояния системы алюминий-медь)

Вопрос 1. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-медь. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

Наиболее важной примесью в дуралюмине является медь.

Диаграмма состояния сплавов А1—Си (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твер­дый раствор с

ограниченной растворимостью, уменьшающейся с по­нижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная

кристаллизация, связанная с ча­стичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно под­вергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке

0

.

100

0,05 5,7 10 20 30 33

Диаграмма состояния сплавов алюминий — медь.

и ста­рению .Из диаграммы состояния А1 — Си следует, что наибольшая рас­творимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет

5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алю­минии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%. Если сплавы с содержанием меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть за­калке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 — Си), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах А1 — Си, является твердое и хрупкое хими­ческое соединение СиА1₂.

Распад пересыщенного твердого раствора может протекать в течение длительного времени при вылеживании сплава при ком­натной температуре (естественное старение) и более быстро при повышенной температуре (искусственное старение). В результате старения твердость и прочность сплава повышаются, а пластич­ность и вязкость снижаются.

Согласно теории старения, наиболее полно разработанной с помощью правил Курнакова, процесс старения в сплавах протекает в несколько стадий. Упрочнение сплавов, наблюдающееся в результате старения, соответствует периоду выделения избыточных фаз в высокодисперсном состоянии. Происходящие в структуре изменения можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Обычно эта стадия процесса протекает у закаленных сплавов при естественном старении. При этом твердость и прочность сплава повышаются.

При нагреве закаленных сплавов до сравнительно низких температур, разных для различных сплавов (искусственное старе­ние), протекает вторая стадия, состоящая в укрупнении частиц выделившихся фаз. Этот процесс можно наблюдать при помощи оптического микроскопа. Появление в микроструктуре укрупнен­ных выделений фаз-упрочнителей совпадает с новым изменением свойств — снижением прочности и твердости сплава и повышением его пластичности и вязкости. Старение наблюдается только у спла­вов, которые имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимо­стью, уменьшающейся с понижением температуры. Так как большое количество сплавов имеет диаграмму этого типа, то явление старе­ния весьма распространено. На явлении старения основана термиче­ская обработка многих цветных сплавов — алюминиевых, медных и др.

В рассмотренных выше сплавах А1 — Си этот процесс протекает следующим образом. При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование зон (дисков) с повышенным содер­жанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье — Престона, равна двум-трем атомным слоям. При нагреве до 100° и выше эти зоны превращаются в так называемую Ө - фазу, являю­щуюся неустойчивой аллотропической модификацией химического соединения СиА1₂. При температуре выше 250° фаза 9' превращается в фазу Ө (СиА1₂). Дальше происходит укрупнение выделений фазы Ө (СиА1₂). Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.

В дуралюмине марки Д1 в процессе распада твердого раствора выделяется также фаза Ө, а в дуралюмине марки Д16 таких фаз несколько.

Технология термической обработки деталей из дуралюмина состоит из закалки, проводимой с целью получения пересыщенного твердого раствора, и естественного или искусственного старения. Для закалки детали нагревают до 495° и охлаждают в холодной воде_.

Закаленные детали подвергают естественному старению путем выдерживания их при комнатной температуре. После 4—7 суток вылеживания детали приобретают наиболее высо­кую прочность и твердость. Так, предел прочности дуралюмина марки Д1, находящегося в отожженном состоянии, составляет 25 кг/мм², а твердость его равна Н _В = 45; после закалки и естест­венного старения предел прочности равен 40 кг/мм², а твердость повышается до Н_в= 100.

Время, необходимое для распада твердого раствора, может быть сокращено до нескольких часов путем нагрева закаленного дуралюмина до 100 - 150^◦ (искусственное старение), однако значения твердости и прочности при искусственном старении несколько ниже, чем при естественном. Несколько снижае5тся и коррозионная устойчивость. Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6.Дуралюмины марок ДЗП и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью.

Дуралюмины получили широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиастроении, вследствие малого удельного веса и высоких механических свойств после термической обработки.

При маркировке дуралюмининов буква Д обозначает «дуралюмин», А цифра - условный номер сплава.

2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Сплавы железа с углеродом условно относят к двухкомпонентным сплавам. В их составе, кроме основных компонентов — железа и углерода, содержатся в небольших количествах обычные примеси— марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы — азот, кислород, водород и иногда следы некоторых других элементов. Железо с углеродом образует устойчивое химическое соединение Fe₃C(93,33% Fe и 6,67% С), называемое кар­бидом железа или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с кар­бидом железа (система Fe—Fe₃C), в которых вторым компонентом является цементит.

При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет сво­бодного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут являться карбид железа и углерод; сплавы будут относиться ко второй системе Fe₃C—С, которая исследована недостаточно. Кроме того, железо­углеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% обладают большой хрупкостью и практически не применяются.

Сплавы Fe—Fe₃C (с содержанием С до 6,67%), наоборот, имеют большое практическое значение. На рис. 2 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe—Fe₃C, построенная в координатах температура — концентрация. По оси ординат отложены темпера­туры нагрева сплавов, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует 100% содержанию железа, а правая ордината—содержанию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe₃C).

На правой ординате отложена температура плавления Fe₃C, соответствующая 1550° (точка D на диаграмме).

В связи с тем что железо имеет модификации, на левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка А на диаграмме), отложены также температуры аллотропических превращений же­леза: 1390° (точка N) и 910° (точка G).

Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компо­нентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точ­ки, соответствующие сплавам разной концентрации от 0 до 6,67% С

Рис. 2. Структурная диаграмма состояния сплавов Fe — Fe₃C.

В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образоваться, что зависит от содержания кремния, мар­ганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe—Fe₃C и Fe₃C—С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой сплавов Fe—С, не имеющей химических соединений.

2.1 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Микро­скопический анализ показывает, что в железоуглеродистых сплавах образуется шесть структурных составляющих, а именно: феррит, цементит, аустенит и графит, а также перлит и ледебурит.

Ферритом называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. Так как растворимость углерода в Fe« незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fe_a. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроско­пом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен раз­личной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25 кг/мм², твердость Н_В = 80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768° (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше — пара­магнитен.

Цементитом называют карбид железа Fe₃C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен раз­личной величины. Цементит тверд (Н_В > 800 ед.) и хрупок, а от­носительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выде­ляющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (пер­вичный цементит или Ц₁), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц₂). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц₃. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц — пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210° (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее — парамагнитен.

Аустенитом называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_Y. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двой­никами). Твердость аустенита равна Н_В = 220. Аустенит парамаг­нитен.

Графит имеет неплотноупакованную гексагональную решетку со слоистым расположением атомов. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок различной формы и величины в серых чугунах, хлопьевидную форму в ковких чугунах, шарообразную форму в высокопрочных чугунах. Механические свойства графита чрезвычайно низки.

Все перечисленные четыре структурные составляющие одновре­менно являются также фазами системы сплавов железа с углеродом, так как они однородны — твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) или элементарное вещество (гра­фит).

Структурные составляющие ледебурит и перлит не однородны. Они представляют собой механические смеси, обладающие особыми свойствами (эвтектику и эвтектоид).

Перлитом называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при вторичной кристалли­зации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723°. Эту критическую температуру, наблюдаемую только у стали, назы­вают точкой А±. Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок, или зернистое, когда цементит имеет форму зерен. Механические свойства пластинчатого и зерни­стого перлита несколько отличаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности 82 кг/мм², относительное удлинение 15%, твер­дость Н_в= 190-^-230. Предел прочности зернистого перлита равен 63 кг/мм², относительное удлинение 20% и твердость Я» = = 1.60-г- 190.

Ледебуритом называют эвтектическую смесь аусте­нита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристалли­зации при 1130°. Это наиболее низкая температура кристаллизации в системе сплавов железа с углеродом. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 723° превращается в перлит. Поэтому ниже 723° и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Он очень тверд (Н_в ^ 700) и хрупок. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов. Механические свойства железоуглеродистых сплавов изме­няются в зависимости от количества структурных составляющих, их формы, величины и расположения.