Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

эвтектики

кристаллизацию

следует

представить (в принятом мас-

штабе) горизонтальным участком длиной 5 мм.

Часто в сплавах одной системы в зависимости от концентрации

числа образующихся фаз происходят оба вида превращения. Напри-

мер,

в сплавах системы, приведенной на рис. 113, /Па, кристаллиза-

ция

а-фазы (а также (3-фазы) протекает при переменной температуре,

а затвердевание эвтектики — при постоянной.

В сплавах с перитектическим превращением (рис. 113, II16)

кривая

охлаждения / обнаруживает: а) перегиб, указывающий

начало кристаллизации (в равновесии находятся две фазы: жидкость

выделяющиеся первичные кристаллы фазы, богатой более

туго-

плавким

компонентом); б) горизонтальный участок (остановка),

отвечающий перитектической реакции, при которой в условиях

равновесия находятся три фазы: первичные кристаллы фазы, богатой

тугоплавким компонентом, жидкость и образующиеся кристаллы

фазы,

богатой более легкоплавким компонентом. Кривая охлажде-

ния

сплавов, сохраняющих после этих превращений жидкую фазу

(кривая

//, рис. 113, Пб), имеет, кроме того, перегиб, указывающий

окончание

процесса затвердевания сплава.

Остановка на кривой охлаждения соответствует горизонтальной

линии

на диаграмме состояния.

Несколько

отличается процесс кристаллизации в сплавах, обра-

зующих химическое соединение, неустойчивое при высоких тем-

пературах (при отсутствии растворимости

между

химическим соеди-

нением

и компонентами). На кривой охлаждения ряда сплавов на-

блюдается сначала перегиб (начало кристаллизации), затем горизон-

тальный участок, соответствующий реакции образования химиче-

ского соединения, и, наконец, второй горизонтальный участок, соот-

ветствующий образованию эвтектики. Этим

двум

остановкам на кри-

вой

охлаждения соответствуют две горизонтальные линии на диа-

грамме состояния (рис. 113, Va, кривая //).

Если

неустойчивое химическое соединение при высоких темпе-

ратурах

обладает растворимостью с образующими его компонентами,

то диаграмма и кривая охлаждения имеют вид, представленный

на

рис. 113, V6.

Вторичная кристаллизация, т. е. превращения в твердом состоя-

нии

(полиморфное превращение, полный или частичный распад

твердого раствора, упорядочение твердых растворов

, образование

или

распад неустойчивых химических соединений), также протекает

с определенным тепловым эффектом. Однако он часто незначителен,

поэтому для определения температуры таких превращений наряду

с построением кривых охлаждения применяют те методы анализа

(дилатометрический метод, измерение удельного электросопротивле-

ния

и др.), которые для данных сплавов являются более чувстви-

тельными. В чистых металлах превращение в твердом состоянии

К анализу процесса упорядочения, как и к

другим

фазовым превращениям

рода (магнитным и др.). не может быть применено правило фаз, так как при этом

не

образуется границ раздела области нового фазового состояния.

2QI

Концентрация

В Врепя

Почцентрация

•А\

Концентрация В Врепя

/и, I

Концентрация

В , Врепя

Концентрация

Вреня

Конценглраиия

В Время

Ш . I п Ш

А А

Концентрация

Врепя

Концентрация

В Врепя

А А

В„

Концентрация

Врепя

Рис. 113.

Основные типы диаграмм состояния

кривые охлаждения двойных сплавов

(не

имеющих превращений

твердом состоянии):

/ —

отсутствие растворимости;

// —

полная

растворимость;

111 —

ограниченная растворимость

(а — с

образованием эвтектики;

б — с об-

разованием перитектики);

IV —

образование химического соединения

(а — при

полной

рас-

творимости

компонентами;

б — при

отсутствии растворимости;

в — при

ограниченной

рас-

творимости);

V —

образование химического соединения, неустойчивого

при

высоких темпе-

ратурах

(о — при

отсутствии растворимости

компонентами;

б — при

ограниченной раство-

римости)

202

(полиморфное)"

протекает при постоянной температуре, поэтому на

кривых охлаждения (нагревания) при температуре превращения на-

блюдается горизонтальный участок.

В двойных сплавах превращения в твердом состоянии протекают

при

постоянных температурах в следующих

случаях.

В сплавах — твердых растворах: а) при эвтектоидном превра-

щении

результате

полного распада твердого раствора; б) при пе-

ритектоидном превращении; в) при образовании интерметаллидных

или

упорядоченных фаз. Распад первоначально образовавшегося

(устойчивого при высокой температуре) твердого раствора при даль-

нейшем

эвтектоидном или перитектоидном превращении протекает

при

постоянной температуре. Если состав сплава отличается от эвтек-

тоидного (или перитектоидного), то вначале идет частичный распад

с выделением из исходного твердого раствора новой фазы, а лишь

затем, по достижении эвтектоидной температуры, превращение про-

исходит при постоянной температуре. Начало распада характери-

зуется на кривой охлаждения перегибом, а окончание распада при

эвтектоидном превращении (и перитектоидном) — горизонтальным

участком (рис. 114, /Па и 1116). Кривые некоторых сплавов с пе-

ритектоидным превращением имеют, кроме того, при более низкой

температуре еще один перегиб, отвечающий окончанию процесса

превращения

(однако в условиях охлаждения, обычно применяемых

технике, перитектоидное превращение до конца не протекает).

В сплавах, в которых происходит образование интерметаллидных

фаз,

горизонтальный участок имеет кривая охлаждения сплава

только той концентрации, которая точно соответствует стехиометри-

ческому составу. Этот вид превращения в остальных сплавах проте-

кает в интервале температур, изменяющемся в зависимости от со-

става сплава, и характеризуется двумя перегибами на кривой

охла-

ждения (рис. 114,

///в).

II.

В сплавах — механических смесях при полиморфном превра-

щении

одного из компонентов или образованного ими химического

соединения

(рис. 114, Id).

На

диаграмме состояния этим превращениям соответствует го-

ризонтальная

линия, а на кривой охлаждения (нагревания) — гори-

зонтальный участок (остановка).

Так

как тепловой эффект превращения в твердом состоянии (вто-

ричной

кристаллизации) меньше, чем при первичной кристаллиза-

ции

из жидкости, то при выполнении задачи длину горизонтального

участка кривой, отвечающую относительному количеству превра-

щающейся фазы, можно принимать в меньшем масштабе.

В остальных случаях превращения в твердом состоянии проте-

кают в интервале температур и начинаются в сплавах разной кон-

центрации

при различных температурах; соответствующие кривые

на

диаграмме состояния имеют наклон и показывают превращение

(рис.

114, 16, 1в) или частичный распад твердого раствора (рис.

114, Па, Пб, П1в). В этом

случае

начало и конец превращения на

кривой

характеризуются перегибом, после которого

угол

наклона

несколько

изменяется.

203

Концентрация

В Время

Концентрация

о Врепя

Концентрация

Врепя

Концентрация

В Врепя

Концентрация

Врепя

Концентрация

В Врепя

Рис, 114.

Основные типы диаграмм

состояния

кривые охлаждения

двойных сплавов, имеющих превра-

щения

твердом состоянии:

/ — по-

лиморфные

превращения:

а — при

отсутствии растворимости

и при на-

личии

химического соединения;

б,

— в

сплавах

— твердых

раство-

рах;

// —

изменение растворимости

сплавах

эвтектикой:

а —

умень-

шение

растворимости

при

пониже-

нии

температур;

б —

уменьшение

увеличение растворимости

спла-

вах

перитектическим превраще-

нием;

/// —

распад твердого

рас-

твора

сплавах:

а — с

полной

рас-

творимостью;

б — о

ограниченной

растворимостью;

в — при

образова-

нии

химических соединений

или

упорядоченных

фаз

5. Построить схему кристаллизации заданных сплавов, показать

графически

структуры, образующиеся

процессе кристаллизации,

также превращения, протекающие

этих сплавах

при

охлаж-

дении.

Схема

кристаллизации должна быть построена

в том же

масштабе

(для

температур),

какой

был

принят

ранее.

Для

изображения

каж-

204

дой отдельной структуры необходимо предварительно установить

условные обозначения, указав, что представляет собой данная струк-

турная составляющая (твердый раствор, механическая смесь, хими-

ческое соединение).

Необходимо стремиться к

тому,

чтобы приводимые изображения

максимально близко воспроизводили реальные структуры, которые

наблюдаются в заданном или аналогичном сплаве при металлографи-

ческом анализе. Чистые металлы и твердые растворы в состоянии рав-

новесия

(после отжига) имеют в микроскопе зернистое (полиэдриче-

ское) строение, подобное, например, полиэдрической

структуре

а-железа (феррита) или полиэдрам твердого раствора цинка в меди

(см.

рис. 26) после обработки давлением и отжига. Если в сплавах

данной

системы образуются твердые растворы нескольких типов,

то каждому из них

следует

давать

другое

условное изображение,

как

это показано, например, в диаграмме, даваемой ниже в решении

задачи № 87 (рис. 115).

Химические соединения

могут

быть в виде кристаллов различной

формы:

при распаде твердых растворов они часто отлагаются в виде

сетки по границам зерен или образуют включения пластинчатой или

игольчатой формы.

Эвтектики

и эвтектоиды кристаллизуются в виде участков гете-

рогенной

смеси различной измельченности: точечного, пластинча-

того или зернистого вида (например, эвтектика на рис. 10).

При

построении схемы кристаллизации

следует

учитывать при-

мерное количество каждой составляющей. Так, например, при вы-

делении из твердого раствора небольшого количества вторичных кри-

сталлов

другой

фазы вследствие уменьшения растворимости с

пони-

жением температуры

следует

изображать эту фазу в виде мелких

кристалликов (например, на границах зерен) на фоне полиэдриче-

ской

структуры основного твердого раствора.

6. Дать характеристику состояния заданных сплавов при тем-

пературах, указанных в задаче.

Если

сплав при температуре, указанной в задаче, окажется ге-

терогенным, то надо определить фазы или структуры, присут-

ствующие в сплаве, указать состав каждой составляющей и ко-

личество отдельных составляющих в процентах. Для этого не-

обходимо провести через точку, определяющую данный сплав при

заданной

температуре, горизонталь до пересечения с линиями диа-

граммы (коноду, т. е. линию, показывающую составы фаз, находя-

щиеся

в равновесии); затем, опустив перпендикуляры из концов

коноды

на абсциссу, определить концентрацию каждой составля-

ющей.

Далее по правилу отрезков надо определить относительное коли-

чество отдельных фаз или структур, присутствующих в сплаве в со-

стоянии

равновесия. Количество присутствующих в сплаве эвтек-

тики

или эвтектоида

следует

рассчитывать для температур их обра-

зования.

Результаты расчета необходимо привести в виде таблицы

ниже диаграммы, как это показано, например, в решении задачи

№

87 (см. рис. 115).

205

Диаграмма

состояния

Fe-P

1600

Схема

кристаллизации

сплав

2 l> 6 8 10 12 М

P 18

20 22

Содержание

Р,

'/•

Условные

обозначения

схеме

кристаллизации

Waem/mdie

превращения

FejP

а-твердый раствор Fe

P-(магнитное) j-тВердыйрастдор Fe

P(Hetianiumnoe)

ЛАРАКТЕРИСТИКА

СОСТОЯНИЯ ЗАДАННЫХ СПЛАВОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Сплав

III

Температура,

1350

100

1200

Фазовый

или структурный состав сплава

Однородный твердый раствор на основе (Х-железа

Кристаллы твердого ос-раствора концентрации 0,9% Р

(точка а) и жидкая фаза, содержащая 4,6% Р (точка в)

Основная

структура твердого раствора концентрации

1,2% Р (точка д) и небольшое количество вторичных

кристаллов химического соединения

(магнитное)

Кристаллы химического соединения

и жидкая

фаза,

по концентрации соответствующая точке и •-

16% Р

Смесь

двух

химических соединений Fe^P и Fe§P

Расчет количества фазовых и

по

правилу

Количество жидкости

(<2

об-100

ж ад

Количество а-фаза (Q

<* дж

Fes

= 100

кл.100

ил

w= Z •«-

структурных составляющих

отрезков

1,1.100

„,

13,5.100

пЛп/

14,3 ^'0'

— 94 = 6%;

Е0»'-

80%(

-аТ=-%;

FefP

=27%.

Рис. 115. Диаграмма состояния

Fe™>

7. Ответить в

результате

сделанного анализа превращений на

основной

вопрос задачи о структуре, свойствах, обработке и области

применения

заданных в ней сплавов.

ЗАДАЧИ

№

87. Разобрать диаграмму состояния FeP в части, ограниченной

областью

Fe—Fe

и процессы превращения в сплавах I, II и III,

содержащих: 1 — 0,05,

II—2,

III — 17% Р.

Определить фазовый состав и количественное соотношение фаз:

сплава I при 20° С, сплава II при 100 и

1350°

С, сплава III при 20

1200°С.

Указать, какие отклонения в

структуре

при первичной кристалли-

зации

сплавов этой системы можно ожидать в условиях ускоренного

охлаждения.

Решение

задачи № 87.

Решение

по первым вопросам задачи дано в диаграммах и таблице

на

рис. 115.

Ответ на последний вопрос приведен ниже.

Разбираемая диаграмма состояния является равновесной. Между

тем некоторые превращения в сплавах протекают настолько медленно,

что практически не заканчиваются полностью

даже

при очень дли-

тельном охлаждении. К таким превращениям относится, в частности,

образование по перитектической реакции твердых растворов или не-

устойчивых химических соединений.

Изменение

скорости охлаждения смещает отдельные точки и ли-

нии

превращений на диаграмме, причем величина смещения зависит

от степени отклонения сплава от равновесного состояния. Поэтому

структуры, наблюдаемые в промышленных сплавах,

могут

отли-

чаться от ожидаемых на основании равновесной диаграммы состояния.

Для полной характеристики данной системы следовало бы иметь

не

только плоскостную равновесную диаграмму в координатах

температура—концентрация, но и пространственную диаграмму

координатах температура—концентрация—время, которая пока-

зывала бы переход от неравновесного к равновесному состоянию.

Однако такая диаграмма была бы очень сложной. Рассмотрение рав-

новесной

диаграммы на основе более подробного разбора процессов,

протекающих в сплавах, и закономерностей, которым эти процессы

подчиняются, позволяет с достаточной вероятностью указать харак-

тер превращений при ускоренном охлаждении (особенно при первич-

ной

кристаллизации).

Рассмотрим с этой точки зрения процесс кристаллизации.

Сплав

I, согласно диаграмме, кристаллизуется с образованием

однородной структуры

а-твердого

раствора. Затвердевание его про-

текает

между

1520 и

1500°

С при изменении концентрации жидкости

выделяющейся твердой фазы

между

сотыми долями процента и

1,8% Р. Следовательно, сплав подвержен ликвации.

При

ускоренном охлаждении состав кристаллов твердого рас-

твора не

будет

однородным, однако концентрация их не превысит

'Щ

предела растворимости фосфора в железе а (6). Поэтому сплав после

затвердевания в реальных условиях охлаждения не

будет

отли-

чаться по фазовому составу от равновесного. Однако отдельные

кристаллы (зерна) сплава по химическому составу

будут

неоднород-

ными.

Получающаяся неоднородность химического состава кристаллов

твердого раствора называется внутрикристаллической или внутри-

дендритной ликвацией и соответственно влиянию фосфора на свой-

ства железа дополнительно снижает

ударную

вязкость и пластич-

ность,

особенно при низких температурах. Это снижение тем зна-

чительнее, чем выше концентрация фосфора. Поэтому в высокока-

чественной стали содержание фосфора ограничивается до

0,02—

0,03%, а в качественной —до

0,04—0,05%.

Сплав

II с 2% Р в равновесном состоянии после затвердевания

должен, как и сплав I, иметь

структуру

однородного твердого рас-

твора. Однако и у этого сплава наблюдается большое расхождение

между

линиями ликвидуса и солидуса по температуре, а также по

концентрации;

следовательно, он должен быть склонен к ликвации,

подобно сплаву I (с 0,05% Р). Затвердевание сплава II начинается

при

температуре около

1500°

С и заканчивается при температуре

около

1200°

С. Уже при

1350°

С, как это видно из диаграммы и из

таблицы (рис. 115), жидкая фаза (точка Ь) содержит примерно

4,6% Р, т. е. в полтора раза больше, чем может быть растворено

железе в твердом состоянии при эвтектической температуре. Пре-

дел растворимости фосфора в железе (точка В), как показывает диа-

грамма (см. рис. 115), равен 2,6% Р. К концу затвердевания состав

жидкой фазы

будет

соответствовать точке с, что соответствует при-

мерно 7,5% Р. При ускоренном охлаждении не успевает пройти

полностью диффузия, выравнивающая состав сплава. Поэтому по-

следняя «порция» жидкой фазы состава с затвердевает подобно до-

эвтектическому сплаву такой же концентрации, т. е. образуя некото-

рое количество кристаллов

а-твердого

раствора и эвтектическую

смесь, состоящую из кристаллов а и химического соединения

Таким

образом, при ускоренном охлаждении в сплаве II наряду

с кристаллами

а-твердого

раствора переменной концентрации может

присутствовать некоторое количество эвтектики. Наличие эвтек-

тики

с низкой температурой плавления

улучшает

жидкотекучесть.

В то же время эвтектика вследствие повышенной хрупкости

ухудшает

механические свойства.

Сплав

III в процессе затвердевания, кроме химического соедине-

ния

образует еще неустойчивое при высоких температурах

химическое соединение

Поэтому сплав III при нормальной

температуре, как

следует

из диаграммы состояния, должен состоять

из

смеси кристаллов

двух

химических соединений

-f

Количество каждого из этих соединений в сплаве III определяется

по

правилу отрезков и составляет 73%

и 27%

(табл.

рис.

115).

Образование химического соединения

происходит по реак-

ции

между

жидкой фазой состава с и химическим соединением

2Q9

т.

е. по

типу перитектической реакции, протекающей,

как

известно,

на

поверхности раздела

фаз.

В условиях ускоренного охлаждения такие реакции

не

идут

до

конца,

сплав

будет

содержать значительно меньшее количество

соединения

чем это

следует

из

диаграммы,

или

даже

вовсе

не

содержит

его.

Более того,

некоторых случаях последние порции

жидкой фазы, содержащие больше железа,

чем это

соответствует

составу химического соединения

(например, точка

д),

могут

при

затвердевании образовать

не-

которое количество эвтектики,

со-

стоящей

из

мелкодисперсной смеси

(Fe

а-твердого

раствора.

Таким

образом,

сплав

III при

некоторых условиях (ускоренное

1600

то

1200

«45

*«=

ос

+р (при нагрев.)

V.,

+%•

(при

охлатд.

«^

7000

воо

I 600

600

200

-100

10 ZO

iff

Содержание

Ni,%

Puc.

116.

Диаграмма

состояния

сплавов

Fe—Ni

1600

то

800

600

iOO

200

Рис.

117.

^-,

—

щ-

*—••"

——

/<7

30 iO SO 60 70 80

90100

Содержание

Cr, %

Диаграмма

состояния

сплаво!

— Сг

охлаждение) может иметь

структуру,

значительно отличающуюся

от ожидаемой

по

диаграмме состояния.

Магнитные превращения

а-твердого

раствора

протека-

ющие

этих сплавах

показанные пунктирными линиями

на диа-

грамме

(рис. П5), не

вызывают изменений

структуре.

Л*

88.

Мартенситно-стареющие сплавы

на

основе системы

же-

лезо—никель

(см.

табл.

23)

приобретают

при

закалке мартенситную

структуру

даже

при

замедленном охлаждении, если

они

имеют опре-

деленное содержание никеля.

Определить,

при

какой концентрации никеля:

5; 10 или 20%

превращение

->-

протекает

как

мартенситное,

а не как

диффу-

зионное.

Для решения задачи

учесть

температуры превращения

и по диа-

грамме сплавов системы

Fe—Ni

(рис. 116)

рассмотреть процессы

пре-

вращений

указанных сплавах

количественное соотношение

фаз

них при 200° С,

№

89.

Термическая обработка некоторых высокохромистых

ста-

лей

пониженным содержанием

углерода

существенно

улучшает

их

210