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

Подождите немного. Документ загружается.

содержания компонентов в сплаве отношение содержания

двух

ком-

понентов (Л и В на рис. 148, а, б) остается постоянным, как это по-

казывают перпендикуляры, опущенные на стороны треугольника.

Такой разрез необходим в том

случае,

когда

следует

показать какие-

либо характерные для данной системы сплавы или особенности спла-

вов (например, влияние

третьего

компонента на свойства и струк-

АтВп

Рис. 148. Сечение концентрационного треугольника:

а — параллельно одной стороне; б — по высоте (Сс) и параллельно высоте (kl);

— по секущей (через грань

призмы);

г — через химические соединения, обра-

зуемые компонентами

туру

сплавов при постоянном соотношении концентраций

двух

дру-

гих компонентов).

Если разрез проведен через точки, отвечающие по

составу

чи-

стому

компоненту и химическому соединению, образуемому

двумя

другими компонентами (например,

С—А

на рис. 148, г), то

в ряде

случаев

такой разрез представит диаграмму состояния сплава

из

двух

компонентов (например, чистый металл — химическое со-

единение).

Подобный вертикальный разрез называется

псевдобинар-

ным. В таком разрезе направление коноды совпадает с плоскостью

вертикального разреза. В псевдобинарном разрезе можно проводить

коноду и количественно определять состав и соотношение фаз (как

в диаграммах двойных сплавов);

в) специальные разрезы (типа показанных на рис. 148, г) позво-

ляют рассмотреть определенные тройные сплавы, обладающие спе-

циальными свойствами, например сплавы, образуемые не чистыми

231

компонентами,

а химическими соединениями и т. д. Во многих слу-

чаях такие разрезы также представляют псевдобинарные диаграммы.

Однако возможность рассмотрения такой диаграммы как двойной

определяется на основании экспериментального Исследования.

В зависимости от структуры и свойств сплавов выбирают те вер-

тикальные разрезы, которые наиболее характерны для данной си-

стемы.

Диаграмма, являющаяся вертикальным разрезом, по внешнему

виду напоминает диаграмму двойных сплавов, но вместе с тем значи-

тельно отличается от нее. В диаграммах — вертикальных разрезах,

за исключением случаев, когда они представляют собой псевдоби-

нарные

диаграммы, нельзя проводить коноды и определять по ним

концентрацию

и количество фаз, находящихся в равновесии при дан-

ной

температуре, как это можно сделать в диаграмме двойных спла-

вов.

Обычно вертикальный разрез пространственной диаграммы не

совпадает с направлением коноды, так как последняя с изменением

температуры меняет свое направление (схематически показано на

рис.

146). Поэтому проведение на вертикальных разрезах горизон-

тальной линии, соединяющей точки на линиях ликвидуса и солидуса

(или

на линиях растворимости), лежащие при одной температуре,

не

позволяет определить состав и количество фаз, находящихся в рав-

новесии.

Эти линии не являются конодами.

Кроме

того, эвтектические (а также эвтектоидные или перитек-

тические и перетектоидные) превращения в тройных сплавах

могут

происходить не только при одной температуре, как в двойных спла-

вах, но и в интервале температур.

Характер превращения определяется правилом фаз. Если пре-

вращение происходит в присутствии четырех фаз, то этому превра-

щению

соответствует нонвариантное равновесие (с = k + 1 — фи,

следовательно, с = 3 + 1 — 4 = 0), и на вертикальном разрезе

пространственной диаграммы оно характеризуется горизонтальной

линией,

так как превращение происходит при постоянной темпера-

туре.

Если превращение происходит в присутствии

трех

фаз, то

оно

протекает в интервале температур и в вертикальном разрезе

диаграммы характеризуется областью превращений.

Если

вертикальный разрез проведен не через вершину треуголь-

ника

(ребро призмы), то часто в него не

входят

превращения, про-

исходящие в чистых компонентах, образующих изучаемые тройные

сплавы. Поэтому в подобных вертикальных разрезах линии ликви-

дуса

и солидуса на ординатах (для твердых растворов) не пересе-

каются и не начинаются в одной точке. Такой ход линий ликвидуса

солидуса (а также и многих линий растворимости) объясняет по-

строение, приведенное на рис. 149.

В качестве примера на рис. 150 представлен вертикальный разрез

тройной

диаграммы Fe—G—W при содержании 4%W, т. е. разрез

проведен параллельно стороне

Fe—G.

Из диаграммы видно, что ли-

нии

ликвидуса и солидуса на ординатах не сходятся в одной точке,

так

как ординаты соответствуют не чистым компонентам, а двойным

сплавам с содержанием 96% Fe и 4% W и соответственно 96% Fe

232

4% W. Эвтектическое превращение происходит в интервале тем-

ператур, так как соответствует выделению двойной эвтектики, но

заканчивается (при охлаждении) при одной температуре, при которой

происходит выделение тройной

эвтектики.

В то же время эвтектоидное

превращение начинается и за-

канчивается при одной темпе-

ратуре, так как происходит

присутствии четырех фаз:

7-фазы, а-фазы, Fe

G и

Вертикальные разрезы про-

странственных диаграмм удоб-

ны,

так как они позволяют оп-

ределить качественно (а в псев-

добинарных диаграммах также

количественно) изменение фа-

Рис. 149.

Вертикальное

еечение

параллельно

одной из сторон

треугольника

(грани призмы);

— линия

разреза

температуры, т. е. характеризо-

зового и структурного состоя-

ния

сплава в зависимости от

вать процессы кристаллизации из жидкости и превращений в твердом

состоянии.

Однако вертикальные разрезы характеризуют эти про

1500

500

Содержание

С, %

Рис. 150. Вертикальный

разрез

пространственной

диаграммы

Fe—C-«»W

параллельно

стороне

Fe—С при 4% И/

цессы лишь для небольшого числа сплавов, а не для всех сплавов

изучаемой тройной системы.

Этот недостаток устраним, если для данной тройной системы

построены два или несколько вертикальных разрезов. Рациональный

выбор таких разрезов позволяет относительно полно определить наи-

более характерные свойства соответствующих тройных сплавов.

233

Например,

построение и сравнение нескольких разрезов, параллель-

ных одной стороне треугольника,

дает

возможность во многих слу-

чаях достаточно полно определить влияние третьего компонента

на

фазовое и структурное состояние сплава в зависимости от темпе-

ратуры при различном содержании остальных

двух

компонентов.

ЗАДАЧИ

В приводимых задачах даны главным образом различные сечения

Пространственных диаграмм, так как их наиболее часто применяют

литературе.

Рассмотрев и сравнив эти сечения, необходимо подробно ответить

на

вопросы, поставленные в каждой задаче.

Рис. 151. Проекция поверхностей кристаллизации на концен-

трационный

треугольник сплавов

Fe—С—Р,

ограниченный раз-

резом

C—

задачах,

в которых приведены горизонтальные сечения,

следует

указать положение заданных тройных сплавов, используя свойства

концентрационного

треугольника.

задачах,

в которых приведены вертикальные разрезы, необхо-

димо построить кривые охлаждения и нагревания соответствующего

тройного сплава, если это требование специально оговорено в задаче.

Кривые

следует

строить, используя указания, приведенные в этом

разделе и в разделе «Диаграммы состояния двойных сплавов».

234

Однако в тройных сплавах, имеющих эвтектическое (эвтектоидное)

превращение,

двойная эвтектика (эвтектоид)

будет

кристаллизо-

ваться не при одной температуре, а в интервале температур. В таких

случаях на кривой охлаждения (нагревания) кристаллизация двой-

ной

эвтектики (эвтектоида) должна быть показана наклонной линией

перегибами кривой с другим наклоном.

№

116. На рис. 151 приведена проекция поверхностей кристалли-

зации

на концентрационный треугольник системы

Fe—G—Р,

огра-

ниченный

разрезом

C—Fe

(т. е. сплавами системы

Fe—Fe

G—

P).

Описать процесс кристаллизации сплава, содержащего 4% G

1 % Р, указать химический состав и температуру образования трой-

ной

эвтектики.

Сравнить процесс кристаллизации указанного тройного сплава

с процессом кристаллизации двойного сплава с таким же содержанием

углерода

(4%), но не содержащего фосфора.

Объяснить, почему увеличение содержания фосфора в

чугуне

улучшает

литейные свойства (жидкотекучесть).

Указать, как влияет увеличение содержания фосфора на механи-

ческие свойства

чугуна,

если учесть, что в

структуре

чугуна

в этом

случае

увеличивается количество фосфидной эвтектики, содержащей

два химических соединения (Fe—

G—

P).

№

117. Кремнистая сталь с содержанием 4% Si, которую при-

меняют в трансформаторах, должна обладать высокой проницае-

мостью и малыми потерями на вихревые токи. Для этого

структура

стали должна быть близко приближающейся к однофазной (на основе

а-железа).

На

рис. 152 приведен вертикальный разрез тройной диаграммы

железо—кремний—углерод, проведенный параллельно стороне же-

лезо—углерод при содержании 3,8% Si.

Сравнить этот разрез диаграммы с диаграммой железо—углерод,

указать влияние кремния на температуру эвтектоидного превраще-

ния,

на содержание

углерода

в эвтектоиде и на растворимость

угле-

рода в а- и у-железе.

На

основании приведенного вертикального разреза:

1) определить содержание

углерода,

при котором в стали, содер-

жащей 4% Si, можно получить однофазную ферритную

структуру,

не

превращающуюся при нагреве и охлаждении, и указать, какое

минимальное

содержание

углерода

можно получить в стали при вы-

плавке в электрической или мартеновской печи;

2) указать, как влияет кремний (при растворении в ос-железе)

на

величину удельного электросопротивления, учитывая, что от этой

характеристики трансформаторной стали зависят потери на вихревые

токи.

№

118. На рис. 152 приведены вертикальные разрезы диаграммы

железо—кремний—углерод при содержании 2; 3; 8 и 11% Si.

Сравнить приведенные разрезы с диаграммой железо—углерод и

указать влияние кремния на: а) содержание

углерода

в эвтектике;

б) содержание

углерода

в эвтектоиде и температуру образования

235

1600

•Н

1400

1200

вОО

60S

——^

0,5 t,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

СодержаниеС,%

1400

1300

\i200

^1100

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5fi

Содерта»ие

С,

1000

900

600

а.

О.

0,5 1,0 1,5

Содерталие

С,'Л

2,0

Рис.

152.

Вертикальные разре-

зы

диаграммы сплавов

Fe—С—

Si параллельно стороне

Fe—С:

- 2% Si; б — 3,8% Si; в —

% Si

1000

Puc.

153.

Простран-

ственная

диаграмма

сплавов Fe —

—

(в

области превраще-

ний

твердом

со-

стоянии)

1000

0,2 0,4

0,6 0,8 !,0 1,2 1,4

Содерта/ше

С, %

2S6

эвтектоида из аустенита; в) область существования (устойчивости)

аустенита (как однофазной структуры).

На

основании полученной в

результате

такого сопоставления

характеристики влияния кремния на

структуру

железоуглеродистых

сплавов определить, к какому структурному классу относится сплав,

содержащий 0,6% С и более 11% Si.

Сплав,

содержащий

0,5—0,6%

G и

13—16%

Si, обладает высокой

устойчивостью против действия соляной кислоты. Объяснить, какой

технологический процесс (литье или обработка давлением)

следует

1100

^900

700

500

+карб,

ос.*

карб.

+ карб.

1100

900

%700

300

у+парб.

+дг+

карб.

а.

* карб.

—е

0,2 0,6 1,0

Содержание

С, %

О 0,2 0,6 1,0 1,4

Содержание

С,

1,9

Рис. 154. Вертикальные разрезы диаграммы сплавов

Fe—С—Мп

(в области превращений

твердом

состоянии):

а — 2,5% Мп; б - 13% Мп

применить

для изготовления деталей из этого сплава, учитывая его

структуру

и свойства.

Л* 119. На рис. 153 и 154 приведена схема пространственной

модели и вертикальные разрезы диаграммы Fe—С—Мп в области

превращений

в твердом состоянии при содержании 2,5 и 13% Мп.

Сравнить

эти разрезы с диаграммой

Fe—G

и указать влияние мар-

ганца на: а) содержание

углерода

в эвтектоиде и температуру обра-

зования

эвтектоида из аустенита; б) область устойчивости аустенита.

Объяснить (согласно правилу фаз), почему эвтектоидное превра-

щение

в тройных сплавах происходит в интервале температур (а не

при

одной температуре, как в сплавах железо—углерод).

Указать температуры закалки стали с 1,3% G и 13% Мп (марки

Г13), если необходимо получить однофазную

структуру

(при которой

сталь парамагнитна).

№

120. На рис. 155, а показан вертикальный разрез диаграммы

Fe—С—Сг

при 12% Сг (т. е. в плоскости, параллельной стороне

железо—углерод).

Объяснить, к какому структурному классу относится сталь

с 1,5% С и 12% Сг и определить ее

структуру:

а) в равновесном

состоянии;

б) после закалки.

287

то

4 5 б

Содер/капие

С,

1600

7600

a-'

1200

^1000

800

600

1,00

гоо

M+(Fe,Cr)

V-'

p+(CrFe)C

1 M+f(Cr,Fe)

1 4

h*(Cr,Fe)

C/(Fefr)

f (CrFe)

+(Fe,Cr)

C-

<x+(Cr,Fe)

Cj *(Fe,Cr)

3 Ь 5 6

Содер/паяиеС,

Рис.

155.

Вертикальный разрез диаграммы сплавов

Fe—С

—

Сг

параллельно стороне

Fe—Fe

—

12%

Cr; б - 20% Cr

238

Указать область применения стали в технике.

№

121. Стойкость против коррозии стали с низким содержанием

углерода

(до 0,1%) повышается при увеличении содержания хрома

с 12—15 до

17—20%.

Однако сталь, содержащая

17—20%

Сг,

отличие от стали с 12%

Сг не принимает закалки ••

при нагреве получает

крупное зерно, что

ухуд-

шает пластичность.

Рассмотреть вертикаль-

ные

разрезы диаграммы

Fe—G—Сг

при содержа-

нии

12 и 20% Сг(рис. 155)

указать

структуру

стали

cO,l%G

и 12% Сг и стали

с 0,1% Си 20% Сг при 20

1000°С.

Объяснить причины

различия

в свойствах этих

сталей.

№

122. На рис. 156

приведена

структура

нер-

жавеющей стали с 0,05 % С,

20 %Сг и 8 % Ni. Сталь в этом состоянии парамагнитна (слабо магнитна).

Определить по горизонтальным (изотермическим) сечениям диа-

граммы Fe—Сг—Ni при 1100 и

—100°

G (рис. 157)

структуру

и терми-

Рис.

156. Нержавеющая оталь (0,1% в

(

8,6%N!).X5OO

18%

Сг,

К JF

СГ Ю гО JO UO 50 60 70 вО 90 N1

Содержание

A/i,%

(по

пассе)

да

ЛАЛЛЛ7^УУУ\'

Cr 10 20 JO 40 50 60 70 80 90 Mi

Содержание

Aft, % (по

пассе)

Рис. 157. Изотермические сечения диаграммы сплавов

Fe—Сг—Nl>

— 1100; б — 400° С

ческую обработку этой стали для состояния, приведенного на рис. 156,

указать ее

структуру

в равновесном состоянии. При решении задачи

влияние

углерода

можно не учитывать.

239

№

123. Для постоянных магнитов применяют сплавы

Fe—Ni—

(60% Си, 20% Ni и 20% Fe), имеющие высокие магнитные свойства

после термической обработки и пластической деформации.

Л/

го 30 60 50 60 70 30 90

Содержание

Ct/,%

20 30 ЬО 50 60 70

Содержание

Са, %

вО

Рис. 158. Изотермические сечения диаграммы сплавов Fe—Си — Ni:

а — 20; б —

800°

На

рис. 158 показаны горизонтальные (изотермические) сечения

при

20 и

800°

С диаграммы

Fe—Ni—Си,

а на рис. 159 — вертикаль-

ный

разрез этой же диаграммы, соответ-

ствующий соотношению Си : Fe = 3 : 1.

Определить по конодам на горизон-

тальных разрезах диаграммы количество

состав фаз, находящихся в равновесии

при

800 и при 20° С (для указанного

сплава).

Начертить концентрационный

треу-

гольник

для горизонтального сечения при

20° С и провести на нем линию, по кото-

рой

было проведено вертикальное сечение,

представленное на рис. 159 (для соотно-

шения

Си : Fe = 3 : 1).

По

проведенным сечениям объяснить

возможность термической обработки спла-

ва 60% Си + 20% Ni +20% Fe и опре-

делить температуру закалки для получе-

ния

однофазной структуры.

Л* 124. Во многих сплавах Fe—Со—W в

результате

закалки

(с

1300—1400°

С) и последующего отпуска при высоких температурах

(600—800°

С) происходит дисперсионное твердение, вызванное рас-

творением при закалке и выпадением при отпуске дисперсных частиц

соединений

Со и Fe

, образующих

между

собой твердый раствор

(Ф-фаза).

Твердость сплавов возрастает при этом до HRC

66—67

240

'—

•и

„—'

1200

%воо

ьоо

О 20 ЬО 60 80 W0

Содержание

Ni,%

Рис. 159. Вертикальный разрез

диаграммы сплавов Fe—Cu —Ni

при

соотношении Си :

Fe=3

: 1