166740 (Діаграми стану сплавів та їх зв’язок із властивостями матеріалів), страница 2

Рис. 1.6.1. Подвійна діаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані і евтектичним перетворенням: І розплав; ІІ –розплав + -твердий розчин; ІІІ – розплав + -твердий розчин ; ІV ‑твердий розчин; V -твердий розчин; VI - і -тверді розчини

Рис. 1.6.2. Подвійна діаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані і перитектичним перетворенням; позначення такі ж, як на рис. 6.1

Тверді розчини на базі решітки А-компонента позначаються ‑твердими розчинами, на базі решітки В-компонента -твердими розчинами. Вони можуть бути твердими розчинами проникнення чи заміщення.

4. Подвійна діаграма стану системи для випадку утворення інтерметалічних фаз. У загальному вигляді інтерметалічна фаза позначається як A_mB_n .

Утворення інтерметалічних фаз можливе:

а) при кристалізації з розплаву; решітки компонентів А і В визначають можливість лише обмеженої розчинності; конгруентно плавкі сплави з температурним мінімумом на лінії ліквідуса;

б) в результаті перитектичного перетворення як наслідок реакції між двома розплавами; неконгруентно плавкі сплави (так званий закритий максимум).

Інтерметалічна фаза поводить себе при твердінні, як чиста речовина (рис. 1.7).

Рис. 1.7. І розплав; ІІ розплав + -твердий розчин; III розсплав + -твердий розчин; IV розплав + A_mB_n; V -твердий розчин; VI -твердий розчин; VII -твердий розчин + A_mB_n; VIII -твердий розчин + A_mB_n; IX A_mB_n

1.2 Залежність властивостей сплавів від їх складу

У сплавах, які створюють одноманітні діаграми стану, властивості змінюються ідентично. Були розроблені спеціальні діаграми склад - властивість. Такі діаграми є цінним доповненням до діаграм стану сплавів, тому що вони для кожної системи характеризують зміну тієї або іншої властивості сплаву в залежності від складу. На рис.1.7.2. у верхньому ряду зображені діаграми стану, у середньому - діаграма зміни твердості, у нижньому - діаграма зміни електропровідності. У сплавах типу Рв-Sв (діаграма стану з механічними сумішами) властивості змінюються прямолінійно від одного компонент до іншого.

Крім твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначити ливарні властивості, здатність піддаватися гарячій механічній обробці, обробці різанням та ін. Величина перепаду температур між точками ліквідус і солідус визначає ступінь ліквації та можливої неоднорідності сплаву; евтектичні сплави мають кращі ливарні властивості та оброблюваність різанням; сплави - тверді розчини, які добре обробляються тиском. Побудовою кривих у координатах температура-час. Якщо при охолодженні сплаву в ньому відбуваються фазові перетворення, які супроводжуються виділенням тепла, то на кривій появляються горизонтальні ділянки або зломи. Такі зломи і горизонтальні ділянки дають змогу визначити температуру перетворень. Для подвійних сплавів існує чотири типи діаграм стану:

- діаграми стану механічних сумішей;

- діаграми стану з необмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з обмеженими твердими розчинами;

- діаграми стану з хімічними сполуками.

Розглянемо діаграму стану подвійних сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.

Такого типу діаграму утворює сплав свинець-сурма. Для побудови даної діаграми побудуємо шість кривих охолодження для сплавів із вмістом сурми 5, 10, 13, 20, 40 і 80 % (рис1.8.1.). На цих кривих охолодження ми бачимо по дві критичні точки (а, б, г, д, е) і тільки на одній кривій (в) для сплаву з 13 % одну критичну точку. Верхні критичні точки відповідають початку кристалізації, нижні – завершенню кристалізації.

Діаграму будують так: відкладають у масштабі по абсцисі точки за складом сплавів, приймаючи, що ліворуч буде чистий свинець, а праворуч – чиста сурма. По вертикалі розмітимо шкалу температури і відкладемо критичні температури зазначених сплавів. Свинець має температуру плавлення 600 0К, сурма – 903 0К. Сполучивши нижні критичні точки, маємо пряму ДВЕ, а сполучивши верхні точки - криву АВС.

Вище лінії АВС усі сплави перебувають у рідкому стані. Лінія АВС називається лінією ліквідус. Нижче від лінії ДВЕ усі сплави перебувають у твердому стані. Вона називається лінією солідус.

У точці В при вмісті 13 % , 87 % і при температурі 519 0К кристалізація свинцю та сурми відбувається одночасно; утворюється тонка механічна суміш кристалів свинцю і сурми (двох фаз). Ця суміш називається евтектикою. Евтектика - сплав з найменшою температурою плавлення. Сплави, які містять менш як 13 % , називаються доевтектичними, а які містять більше як 13 % - заевтектичними. Точку В називають евтектичною точкою.

Узагальнюючи викладене, можна зробити такі висновки:

- по лінії АВ починається випадання кристалів свинцю;

- в області АВД містяться кристали свинцю і рідкий розчин;

- по лінії ВД кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу;

- нижче лінії ВД містяться тверді доевтектичні сплави, які складаються з кристалів свинцю та евтектики;

- по лінії ВС починається випадання кристалів сурми;

- в області СВЕ містяться кристали сурми і рідкий розчин;

- по лінії ВЕ кристалізується весь маточний розчин евтектичного складу, що залишається;

- нижче від лінії ВЕ містяться тверді заевтектичні сплави, які складаються з кристалів сурми та евтектики.

сплав атом розчин сталь

2. ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДІАГРАМИ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ

2.1 Основні методи дослідження сплавів

На даному етапі для дослідження всіх властивостей металів розроблені відповідні методики та устаткування.

Для дослідження механічних властивостей використовують механічні випробування. Найбільш поширеними є випробування на твердість, статичний розтяг, динамічні випробування, на втомленість, повзучість та зношування, які свідчать про властивості металів.

Статичні - це такі випробування, при яких метал, що випробовують піддають дії постійної сили або сили, яка зростає дуже повільно.

Динамічними називають випробування, при яких метал піддають впливу удару або сили, яка зростає дуже швидко. Статичне випробування на розтяг - поширений спосіб механічних випробувань металів. Для цього випробування виготовляються спеціальні зразки, які розриваються на спеціальних розривних машинах. На розривних машинах одержують діаграму розтягу, по якій можна визначити: межу текучості, межу міцності, відносне видовження і відносне звуження.

Межею текучості називається найменше напруження, при якому без помітного збільшення навантаження продовжується деформація досліджуваного зразка.

Межу текучості визначають за формулою:

Gт = Pт / F0 ,

де Pт - навантаження текучості;

F0 - поперечний переріз робочої частини зразка до випробування.

Умовне напруження, яке відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності і визначається за формулою:

Gв = Pв / F0,

де Pв - навантаження, що передує розриву зразка.

По відносному видовженні і звуженні оцінюють пластичність металів. Відносне видовження і звуження вимірюють у відсотках (%).

Відносне видовження визначають за формулою:

G = l1 – l0 / l0 · 100(%),

де l1 - довжина зразка після розриву; l0 - довжина зразка до розриву.

Відносне звуження визначають за формулою:

Х=F0 – F1 / F0 ·100(%),

де F0 - початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка; F1 - площа поперечного перерізу після розриву.

Твердість визначають за такими методами: методом Брінелля, методом Роквелла, методом Віккерса.

Метод Брінелля заснований на вдавлюванні твердої кульки у досліджуваний метал. Твердість по Брінеллю розраховується за формулою:

НВ = Р/F

де P - навантаження на кульку; F - величина поверхні відбитка.

Принцип вимірювання твердості по Роквеллу заснований на вдавлюванні у досліджуваний метал стальної кульки Ø = 1,58 мм або конуса з кутом 1200 .

Метод Віккерса дає можливість вимірювати твердість як м¢яких так і дуже твердих металів і сплавів. Він придатний для визначення твердості тонких поверхневих шарів. За цим методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 1360.

Крім цього, для визначення механічних властивостей металів використовують такі випробування:

- випробування на ударний згин;

- випробування на втомленість.

Випробування технологічних властивостей найбільш прості. Вони визначають можливість проводити ті чи інші технологічні операції з даним металом або застосовувати його у тих чи інших умовах. З них найбільш поширеними є випробування: на вдавлювання, на перегин, на іскру, зварюваність, ковкість, рідинотекучість та ін.

Для дослідження мікро- і макроструктури, а також визначення вад внутрішньої будови металів, використовують такі методи: макроаналіз, мікроаналіз, рентгеноструктурний аналіз, магнітна дефектоскопія, застосування радіоактивних ізотопів тощо.

2.2 Діаграма стану “залізо-цементит”

Щоб добре розумітися на мікроструктурах залізовуглецевих сплавів, потрібно ретельно вивчити діаграму “залізо-цементит”.

Діаграма стану Fe–F₃С (залізо - цементит) репрезентована на рис. 2.2. На вісі абсцис на діаграмі наведений вміст вуглецю і цементиту. Кількість цементиту в сплаві дорівнює 15-кратному вмісту вуглецю.

На діаграмі є вісім однофазних ділянок: на лівій вісі ординат відрізок AN відповідає ()-залізу, відрізок NG -залізу, відрізок нижче точки G -залізу.

Рис. 2.2. Діаграма стану “залізо-цементит”

Оскільки кожна з цих модифікацій заліза взаємодіє з вуглецем, то діаграму стану можна розглядати як триповерхову, що складається з частин І, ІІ, ІІІ (рис. 2). Всі модифікації заліза утворюють з вуглецем тверді розчини проникнення. В області AHN твердий розчин вуглецю в -залізі ферит (Ф) (іноді позначають -твердий розчин). В області AJESG твердий розчин вуглецю в -залізі аустеніт (А). В області GSO твердий розчин вуглецю в низькотемпературній модифікації -заліза (Ф).

Розчинність вуглецю в -залізі вельми незначна, при температурі 600°С становить близько 0,01%.

У -залізі розчинність вуглецю доходить до 2,14%.

Права ордината DFKL діаграми Fe–Fе₃С (рис. 2) відповідає цементиту. Область вище лінії ліквідус ABCD відповідає рідкому стану (Р).

Складний вид діаграмми Fe–Fе₃С пояснюється тим, що залізо володіє поліморфними перетвореннями у твердому вигляді. Поліморфізм заліза обумовлює і поліморфні перетворення в залізовуглецевих сплавах.

У залізовуглецевих сплавах можливі три перетворення, за яких число ступенів свободи дорівнює нулю, тобто має місце співіснування трьох фаз.

При 1499°С (лінія HJB, Р + А) має місце перитектичне перетворення (рис. 2.2).

При 1147°С (лінія ЕСF, Р_4,3 Е (А + Ц) ледебурит (Л)) має місце евтектичне перетворення.

У результаті евтектичного перетворення утворюється евтектична суміш аустеніту і цементиту, яка називається ледебуритом.

При 727°С (лінія РSK, А_0,8 Е (Ф + Ц) перліт) має місце евтектоїдне перетворення.

Як результат цього перетворення утворюється евтектоїдна суміш фериту і цементиту, що називається перлітом.

Зіставляючи структури типових залізовуглецевих сплавів (рис. 2.3 і 2.4), їх можна розділити на дві групи: сплави з вмістом вуглецю до 2,14% не мають у структурі евтектики ледебуриту; у сплавах з вмістом вуглецю вище 2,14% є ледебуритна структурна складова.