Osnovnye Tipy Diagramm Sostojanija Dvukhkomponentnykh Splavov
advertisement
7. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ 7.1. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Рассмотрим сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге и в жидком и в твердом состоянии. Например, Cu-Ni, Au-Ag и т.п. Таким сплавам соответствует следующий тип диаграмм состояния: Т, С I L Ж В 1 a Т1 b s c S f А Ж+ 2 К1 %В Здесь буквой Ж обозначена жидкая фаза, а буквой - неограниченный твердый раствор А в В или В в А, что в данном случае одно и тоже (= А(В) В(А)). Линию L называют линией ликвидус. Она отражает температуры начала процесса кристаллизации. Выше этой линии сплав любого состава находится только в жидком состоянии. Линия S является линией солидус. Эта линия отражает температуры завершения процесса кристаллизации. Ниже её все сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Точка А соответствует температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента А, а точка В температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента В. Между линиями ликвидус и солидус все сплавы находятся в двухфазном состоянии (Ж + ). Как видно из диаграммы, сплавы любой концентрации, в отличие от чистых компонентов, кристаллизуются в некотором интервале температур. Рассмотрим процесс затвердевания сплава произвольной концентрации К1. Выше точки 1 этот сплав находится в жидком однофазном состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов твердой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля кристаллов -фазы нарастает, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке 2 процесс кристаллизации полностью завершается и ниже этой точки, вплоть до комнатной температуры, сплав состоит только из зёрен твердой -фазы. Кривая охлаждения для данного сплава выглядит следующим образом: Как видно из графика, на участке 1-2, Т,С который соответствует процессу кри- Ж 1 сталлизации, Ж+ 2 скорость охлаждения сплава уменьшается. Это обусловлено выделением скрытой теплоты кри- сталлизации при переходе сплава из t, c жидкого состояния в твёрдое. После завершения процесса кристаллизации скорость охлаждения сплава восстанавливается. В процессе кристаллизации изменяется не только количество жидкой и твёрдой фаз, но и химический состав этих фаз. Определить относительное количество и химический состав обеих фаз при любой температуре в интервале кристаллизации можно с помощью правила отрезков. 7.2. Правило отрезков. Правило отрезков позволяет в любой точке двухфазовой области диаграммы состояния определять относительное количество и химический состав обеих фаз. Для этого необходимо через выбранную точку провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Так через точку b на рассматриваемой диаграмме состояния проходит линия, соответствующая температуре Т1. Эта линия пересекает линии, ограничивающие двухфазную область диаграммы состояния, в точках а и с. В данном случае отношение отрезка bс к ас будет равно доле жидкой фазы, а отношение отрезка аb к ас - доле твёрдой фазы. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры от точки 1 до точки 2, отрезок bс сокращается. Это соответствует уменьшению относительного количества жидкой фазы. Отрезок аb, напротив, увеличивается, что соответствует увеличению доли твёрдой фазы. Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки а на ось (шкалу) концентраций, а состав твёрдой фазы - проекцией точки с на эту же ось. Как видно из диаграммы в начальный момент кристаллизации, т.е. в точке 1, состав жидкой фазы близок к К1, а состав твёрдой фазы определяется проекцией точки s. В конечный момент кристаллизации, т.е. в точке 2, состав жидкой фазы определяется проекцией точки f, а состав твёрдой фазы стремится к К1. Таким образом, в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-f), а твёрдой фазы - по линии солидус (участок s-2). Общее же содержание компонентов в сплаве при любой температуре остается неизменным и равным К1, просто в процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов между жидкой и твёрдой фазами. В начальный момент затвердевания выпадают кристаллы богатые более тугоплавким компонентом В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а концентрация тугоплавкого компонента в них уменьшается. Жидкость, при этом, обогащается более легкоплавким компонентом А. Изменение химического состава твёрдой фазы, в процессе кристаллизации, происходит за счёт того, что более легкоплавкий компонент А из жидкой фазы поступает в твёрдую фазу и растворяется в ней. Если кристаллизация идёт достаточно быстро, то процесс диффузионного перераспределения компонентов не успевает завершиться и тогда наблюдается неоднородность зёрен по химическому составу. Центр зёрен оказывается обогащенным более тугоплавким компонентом В, а границы зёрен - более легкоплавким компонентом А. Неоднородность зёрен по химическому составу назы- вают микроликвацией. Если процесс кристаллизации идёт достаточно медленно, то есть если этот процесс является равновесным, то зёрна успевают выровняться по химическому составу. В таком случае формируется однородный сплав, каждая точка которого имеет одинаковый химический состав, равный К1. 7.3. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Рассмотрим сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии не растворяются друг в друге и не образуют химических соединений. (Например, сплав Pb-Sb и т.п.). Диаграмма состояния для таких сплавов выглядит следующим образом: Т,С Ж III I II B 3 А Ж+А b Ж+B с 2 D 4 E C А+Э Э=А+В а 1 Э+В %В Здесь линией ликвидус является линия АСВ. Выше этой линии сплав любого состава находится в жидком, однофазном состоянии. Линия DСЕ является линией солидус. Ниже этой линии любой сплав находится только в твёрдом состоянии. Рассмотрим процесс кристаллизации трёх сплавов различного состава. Согласно диаграмме состояния, сплав I выше точки С находится в жидком, однофазном состоянии. В точке С начинается процесс его затвердева- ния. При этом из жидкой фазы выпадают одновременно кристаллы чистых компонентов А и В. Этот процесс идет при постоянной температуре до полного затвердевания сплава и завершается образованием механической смеси чистых компонентов А и В. В общем случае механическую смесь двух или более твёрдых фаз, образующуюся из жидкой фазы, называют эвтектикой. Соответствующее превращение называют эвтектическим. В рассматриваемом случае эвтектика представляет собой механическую смесь двух чистых компонентов А и В, а эвтектическое превращение идёт по схеме: ЖС А + В = Э. (1) (Здесь и далее нижний индекс будет обозначать химический состав фазы. В данном случае он означает, что жидкость имеет состав точки С.). Таким образом, кристаллизация сплава I завершается в точке С образованием эвтектики. Ниже точки С, и вплоть до комнатной температуры, микроструктура сплава I не меняется и представляет собой эвтектику, то есть механическую смесь кристаллов чистых компонентов А и В. Сплав типа I называют эвтектическим. Кривая охлаждения для этого сплава выглядит следующим образом: Горизонтальный участок на этой кри- Т,С вой соответствует эвтектическому пре- Ж С вращению, которое происходит при по- ЖЭ стоянной Э t, c температуре. Температура сплава здесь не меняется по причине того, что происходит выделение скры- той теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла от сплава. После завершения процесса кристаллизации скорость остывания сплава становится прежней. Сплав II относят к доэвтектическим сплавам. Он начинает кристаллизоваться в точке 1. При этой температуре в жидком расплаве появляются заро- дыши кристаллов чистого компонента А. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2, доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкой фазы уменьшается. Долю жидкой и твердой фаз, в рассматриваемом интервале температур, можно определить с помощью правила отрезков. Так в точке b отношение отрезка bс к ас будет равно доле твердой фазы, а отношение аb к aс - доле жидкой фазы. Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки с на ось концентраций. Как видно из диаграммы состояния в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-С), т.е. жидкая фаза обогащается компонентом В, по причине выпадения из неё кристаллов компонента А. В точке 2 сплав будет состоять из некоторого количества кристаллов компонента А и не успевшей закристаллизоваться жидкости состава точки С. При указанной температуре эта жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (1). После завершения эвтектического превращения и вплоть до комнатной температуры сплав II будет состоять из кристаллов чистого компонента А и эвтектики. Чем дальше химический состав этого сплава от эвтектического, тем больше в его структуре кристаллов чистого компонента А и меньше эвтектики, и наоборот. Кривая охлаждения для сплава II выглядит следующим образом: Т,С Ж 1 Ж+А 2 2 А+Э t, c Сплав III начинает кристаллизоваться в точке 3 с выпадения из жидкого расплава кристаллов чистого компонента В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. При этом жидкость обедняется компонентом В по линии 1-С. В точке 4 оставшаяся жидкость будет иметь состав точки С, и кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (1). Таким образом, сплав III ниже точки 4 со- стоит из кристаллов компонента В и эвтектики. Сплав III относят к заэвтектическим сплавам. Чем дальше его состав от эвтектического, тем больше в его структуре кристаллов компонента В и меньше эвтектики, и наоборот. Кривая охлаждения для этого сплава напоминает кривую охлаждения для сплава II, с той лишь разницей, что вместо кристаллов А здесь сначала выпадают кристаллы В. Как видно из рассматриваемой диаграммы состояния кристаллизация сплавов любого состава завершается на линии DСЕ образованием эвтектики по схеме (1). Эту линию называют линией эвтектического превращения. Для данной диаграммы состояния она совпадает с линией солидус. 7.4. Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Рассмотрим сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии растворяются друг в друге ограниченно, образуя ограниченные твёрдые растворы = А(В) и = В(А). Для таких сплавов возможны два типа диаграмм состояния: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой. Диаграмма с эвтектикой выглядит следующим образом: Т,С II I 1 А 4 III Ж 6 Ж+ Ж+ 2 3 F C 7 E D + II + II+Э Э=+ 5 B %В Э+ G Здесь буквой - обозначен твёрдый раствор компонента В в А ( = А(В)), а буквой - твёрдый раствор компонента А в В ( = В(А)). Линия АСВ является линией ликвидус, АDСЕВ - линией солидус, DСЕ - линией эвтектического превращения. Линия DF показывает изменение с температурой предельной растворимости компонента В в -фазе. Как видно из диаграммы растворимость компонента В в -фазе с понижением температуры уменьшается. Линия ЕG является вертикальной прямой. Это говорит о том, что растворимость компонента А в -фазе с изменением температуры не меняется. Рассмотрим кристаллизацию нескольких сплавов. Сплав I начинает кристаллизоваться в точке 1 с выпадения из жидкого раствора кристаллов твёрдой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкости в кристаллы твёрдой -фазы. В интервале температур от точки 2 до точки 3 происходит остывание этой твёрдой фазы. В точке 3 концентрация компонента В в -фазе достигает своего предельного значения. Ниже точки 3 твёрдый раствор оказывается перенасыщенным компонентом В, и этот избыточный компонент выпадает из -фазы, образуя -фазу. Такую -фазу, в отличие от первичной, выпадающей из жидкости, называют вторичной и обозначают II. Таким образом, сплав I ниже точки 3 и вплоть до комнатной температуры состоит из зёрен твёрдой -фазы с вкраплениями кристалликов II-фазы. Кристаллизация сплава II начинается в точке 4 также с выпадения из жидкого расплава кристаллов твёрдой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 4 до точки 5 доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. Причём химический состав твёрдой фазы изменяется по линии солидус, а жидкой фазы – по линии ликвидус (участок 4-С). То есть и жидкость и -фаза обогащаются компонентом В. В точке 5 сплав будет состоять из некоторого количества кристаллов твёрдой -фазы, состава точки D, и какого-то количества жидкости, состава точки С. При указанной температуре эта оставшаяся жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики, которая в данном случае представляет собой механическую смесь кристаллов - и -фаз. Эвтектическая реакция идет по следующей схеме: ЖС D + Е = Э (2) После завершения эвтектического превращения сплав будет состоять из кристаллов -фазы и эвтектики. При дальнейшем остывании сплава из зёрен -фазы выделяется избыточный компонент В в виде вторичной -фазы. Поэтому при комнатной температуре сплав II будет состоять из эвтектики и зёрен -фазы с вкраплениями фазы II. Необходимо отметить, что вторичная -фаза выделяется также из -фазы, входящей в состав эвтектики. Однако эта -фаза объединяется с одноименной фазой эвтектики и структурно не обособляется. Сплав II при всей сложности своей структуры состоит только из двух фаз: и . Кристаллизация сплава III отличается от кристаллизации сплава II тем, что сначала из жидкого расплава выпадают кристаллы -фазы, а не -фазы. По мере снижения температуры количество кристаллов -фазы нарастает, а не успевшая закристаллизоваться жидкость обогащается компонентом А. На линии эвтектического превращения DСЕ (т.е. в точке 7), эта жидкость будет иметь состав, соответствующий точке С, и кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (2). После завершения эвтектического превращения сплав будет состоять из кристаллов -фазы и эвтектики. При последующем охлаждении сплава выделений вторичной -фазы из -фазы не наблюдается, так как растворимость компонента А в -фазе с изменением температуры не меняется (если бы менялась, то наблюдалась бы фаза II). Таким образом, при комнатной температуре сплав III будет состоять из зёрен -фазы и эвтектики. Сплав, по химическому составу соответствующий точке С, имеет структуру, состоящую только из эвтектики. Это эвтектический сплав. У доэвтектических сплавов в структуре наряду с эвтектикой присутствуют кристаллы -фазы. Их тем больше, чем сильнее состав сплава отличается от эвтектиче- ского. Заэвтектические сплавы имеют структуру, состоящую из эвтектики и кристаллов -фазы. Сплавы, расположенные левее точки F, являются однофазными и состоят только из зерен -фазы. Сплавы, расположенные правее точки G, состоят только из зёрен -фазы. 7.5. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом. В сплавах железа с углеродом могут образовываться следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и графит. Феррит - является твёрдым раствором внедрения углерода в альфажелезе. (Обозначается Fe(C) или Ф). -железо устойчиво при температурах ниже 911 С. Оно отличается объёмоцентрированной кубической решёткой (ОЦК – решёткой), в междоузлиях (порах) которой размещаются атомы растворяющегося углерода. Растворимость углерода в -железе крайне низкая, максимум 0,02 % по массе при температуре 727 С. С понижением температуры она снижается и достигает 0,006 % при комнатной температуре. По этой причине феррит можно считать практически чистым железом. Феррит, так же как и чистое железо, является мягкой, пластичной фазой с твёрдостью от 80 до100 НВ, в зависимости от содержания углерода. Необходимо отметить, что ОЦК – решётку железо имеет в двух температурных интервалах: при температурах ниже 911 С (-железо) и в диапазоне температур от 1392 С до температуры плавления, равной 1539 С (это так называемое -железо). Твёрдый раствор внедрения углерода в -железе называют высокотемпературным ферритом. В интервале температур от 911 до 1392 С железо имеет гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК-решётку). Это так называемое -железо. В -железе углерод растворяется значительно лучше, чем в железе с ОЦКрешёткой. Твёрдый раствор внедрения углерода в - железе называют аустенитом (обозначают Fe( C ) или А). Максимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при 1147 С и составляет 2,14 %, что в 100 раз выше, чем у феррита. С понижением температуры эта растворимость падает, достигая 0,8 % при температуре 727 С. Аустенит пластичная фаза, но примерно в 2 раза твёрже феррита (160 – 200 НВ). Цементит (Ц)- это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа с химической формулой Fe3C. Содержание углерода в цементите постоянное - 6,67 % по массе. Цементит отличается высокой твёрдостью и хрупкостью. Твёрдость этой фазы в 10 раз выше твёрдости феррита и составляет 800 НВ. Различают цементит первичный, вторичный и третичный. (Ц, Ц и Ц). Первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации. Вторичный цементит выпадает из аустенита при его остывании, что обусловлено снижением предельной растворимости углерода в аустените с уменьшением температуры. Третичный цементит выпадает из феррита в процессе его остывания, что обусловлено снижением растворимости углерода в феррите. Цементит является метастабильной (неустойчивой) фазой. При нагреве и длительной выдержке он распадается на железо и углерод, а точнее на феррит и графит, который является более стабильной чем цементит фазой. Графит это углерод с гексагональной, слоистой структурой. Он отличается мягкостью и малой пластичностью, имеет температуру плавления 3500 С. Графит наблюдается в высокоуглеродистых сплавах (чугунах) при их равновесном (медленном) затвердевании. В этом случае создаются благоприятные условия для диффузии атомов углерода и формирования в структуре сплава графитных включений. Помимо вышеназванных четырёх фаз, в сплавах железа с углеродом различают ещё две самостоятельные структурные составляющие - перлит и ледебурит, которые по сути являются двухфазными смесями. Перлит (П) – является механической смесью феррита и цементита. Это эвтектоид системы Fe–C, который образуется из аустенита посредством эвтектоидной реакции, протекающей при температуре 727 С. Перлит содержит 0,8 % С и может иметь пластинчатую или зернистую структуру. Ледебурит (Л) – представляет собой механическую смесь аустенита и цементита. Ледебурит является эвтектикой системы Fe–C и образуется из жидкой фазы при температуре 1147 С в результате эвтектической реакции. Содержание углерода в ледебурите – 4,3 %. При температуре 727 С аустенит ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение (превращается в перлит), поэтому при температурах ниже 727 С ледебурит является механической смесью перлита и цементита. 7.6. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Вообще говоря, существует две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов - метастабильная и стабильная. Метастабильная диаграмма отражает структурно-фазовое состояние сплавов, в которых углерод находится в связанном состоянии - в виде метастабильного химического соединения – цементита. Хотя цементит термодинамически менее устойчив, чем графит, его образование по кинетическим соображениям является более вероятным. Метастабильная диаграмма состояния «железо-цементит», в упрощённом виде, выглядит следующим образом: IV III A 1539 С I II 1 Ж 3 VI 2 4 12 А+Ж 15 D 13 E A C 16 F G A+ЦII 9 А+Ф 10 727 С VII Ж+ЦI 1147 С 911 С V A+ЦII+Л Л=А+Ц 7 14 Ф P 8 Л+ЦI 5 S 11 Ф+П П 17 6 K П+ЦII П+ЦII+Л Л=П+Ц Л+ЦI Q 0 0 0,8 2,14 4,3 6,67 % С 100 % Ц Здесь по оси Х отложено содержание углерода в массовых процентах от 0 до 6,67 %, что соответствует содержанию цементита от 0 до 100 %. Точка А (1539С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1260 С) – температуре плавления (распада) цементита. Точка G (911С) является точкой полиморфного превращения железа из - в -модификацию или наоборот. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF – линией солидус. На линии ECF (1147 С) происходит эвтектическое превращение, а на линии PSK (727 С) – эвтектоидное. Линия ES характеризует растворимость углерода в аустените, а линия PQ – растворимость углерода в феррите. Области существования различных фаз на диаграмме состояния отмечены большими буквами. Участок диаграммы состояния от 0 до 2,14 % С соответствует сталям, а остальная её часть – чугунам. Стабильная диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов отражает фазовый состав сплавов, в которых углерод находится в виде стабильной фазы – графита. Такую диаграмму называют «железо-графит». От метастабильной диаграммы «железо-цементит» она отличается тем, что её линии немного смещены вверх и влево, а вместо цементита присутствует графит.
