Материаловедение

Диаграмма состояния 1 типа Компоненты не растворимы друг в друге в твердом состоянии Основные линии диаграммы: abc – линия ликвидус – геометрическое место точек начала кристаллизации сплавов различного химического состава: Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. L – liquid. dbe – линия солидус – геометрическое место точек конца процесса кристаллизации; Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. abd и bce – двухфазное состояние сплавов – происходит процесс кристаллизации. Точка b – точка эвтектики; x b – эвтектический состав для данной пары компонентов. Анализ превращений на диаграмме состояния каждого сплава необходимо вести вдоль вертикальной линии, проходящей через точку на оси химического состава, определяющую суммарный химический состав сплава. То есть состав сплава определяется точкой на диаграмме с координатами температура–химический состав.Структура и фазовый состав будет определяться областью, в которую попадет эта точка. Сплав (3) – эвтектический сплав, включающий в себя оба компонента; кристаллизуется аналогично чистым компонентам при постоянной температуре.

Диаграмма состояния 2 типа Компоненты неограниченно растворимы друг в друге в твердом состоянии. Компоненты имеют близкие атомные параметры и кристаллические решетки. a – твердый раствор компонентов А и В друг в друге. Для разных веществ химический состав кристаллов a будет разный. Кристаллы в ходе кристаллизации имеют разный химический состав между точками (1) и (2). Диаграммы такого типа имеют компоненты близкие по атомным параметрам и по типу кристаллической решетки.

Диаграмма состояния 3 типа Компоненты ограниченно растворимы друг в друге.

abc – линия ликвидус; X b – химический состав эвтектики. adec – линия солидус. df, eg – линии предельной растворимости в твердом состоянии. a – ограниченный твердый раствор компонента А в компоненте В. b – ограниченный твердый раствор компонента B в компоненте А. Сплав (1): Выше t 1 – охлаждение с высокой скоростью, зависящее от внешних условий. 1-2 – первичная кристаллизация, образование a твердого раствора. Вследствие низкого содержания компонента А в исходном сплаве при достижении t 2 весь компонент А расходуется на образование a-кристаллов, следовательно в точке 2 – однофазный твердый сплав. 2-3 – остывание сплава; превращений нет. Ниже температуры t 3 – точка 3 соответствует достижению a- кристаллического состояния насыщенности, дальнейшее понижение температуры приводит к выделению избыточного компонента А за счет диффузии в небольшие зоны на границе кристаллов. Эти зоны превращаются в мелкие кристаллы b, то есть происходит вторичная кристаллизация внутри твердой фазы. Сплав (2): Процесс аналогичен образованию эвтектики, толь ко вместо чистых компонентов А и В – a- и b-твердые растворы. Сплав (3): Выше температуры t 4 – охлаждение сплава – превращений нет. t 4 – t 5 – первичная кристаллизация a-кристаллов, при этом содержание компонента А в жидкости уменьшается и состав жидкости постепенно приближается к эвтектическому (при t 5 ). 5–5' – состав жидкости соответствует эвтектическому, идет образование эвтектики (температура постоянна). Температура ниже t 5 – охлаждение сплава, вторичная кристаллизация с образованием b II -вторичных кристаллов. Для заэвтектической области процессы и кривые охлаждения сплавов аналогичны, только a- и b-кристаллы меняются местами.

Диаграмма состояния IV типа Компоненты образуют в твердом состоянии химические соединения. Диаграммы для компонентов, образующих химические соединения, определяются числом возможных химических соединений, и представляют собой совокупность диаграмм различного типа 1, 2 или 3. В каждой из этих диаграмм чистые компоненты и соответствующие химические соединения могут играть роль как чистых компонентов, так и основы для твердых растворов. Это определяется физическими свойствами компонентов и их соединений. Важно, что на графике диаграммы надо обеспечить стыковку на важнейших точках линии ликвидус и солидус (должна получиться одна общая линия).

Правило отрезков для диаграмм I типа. Для линий abd, bce и части диаграммы ниже линии de можно применить правило отрезков. Выберем сплав определенного химического состава x и рассмотрим применение правила отрезков для этого сплава при температуре t 1. Общее состояние сплава определяется точкой f. Правило отрезков позволяет определить относительное количество фаз. 1) Фазы L+B: 2) Химический состав фаз: Относительное количество фаз определяется отношением соответствующей части горизонтального отрезка, проведенного для заданной температуры t 1 – до пересечения с границами области к общей длине этого отрезка. Химический состав фаз при заданной температуре определяется проекцией точек пересечения горизонтального отрезка с заданными границами областей на ось химического состава.

Правило отрезков для диаграммы II типа Для a1b2 работает правило отрезков: ; Химический состав фаз для рассматриваемой области определяется проекциями точек, попадающих на границу с областью, занимаемой соответствующей фазой, то есть в донном случае точка g на границе с областью a – определяет химический состав a-кристаллов, точка h на границе с областью L – определяет химический состав жидкости. Применим правило отрезков для точек 1, f и 2 сплава x. При этом химический состав образующихся a-кристаллов будет меняться от x, через x g до исходного состава x в соответствии с правилом отрезков, то есть при кристаллизации a-кристаллы, образующиеся на разных этапах кристаллизации имеют разный химический состав. Это противоречие связано с тем, что рассматриваемая нами диаграмма состояния является равновесной, то есть: а) Процесс фазового превращения происходит бесконечно медленно; б) Происходит диффузионное выравнивание химических составов каждой фазы; В действительности: а) Скорость кристаллизации конечна; б) Полного выравнивания химического состава твердой фазы не происходит, то есть в составе образовавшейся твердой структуры остаются a-кристаллы с отличающимся от среднего химическим составом. Это явление носит название химической ликвации. Ликвация – процесс, при котором часть структуры сплава отличается по своему химическому строению от Основного состава. В реальных сплавах всегда происходит процесс ликвации.

Правило отрезков для диаграммы III типа Применим правило отрезков для линий adf, fdeg и ceg. Для сплава состава x при температуре t i (точка i). Две фазы: жидкость и a- кристаллы: ;. Для сплава x при температуре t l (точка l). Две фазы a и b: ;. Для двухфазной области fdeg правило отрезков также работает. Изменение относительного количества и химического состава в этой области происходит за счет изменения растворимости компонентов друг в друге и соответствующих диффузионных процессов перераспределений внутри сплавов.

Тестирование 1. Какой вид имеет уравнение правила фаз? А) С = К + F – 1. В) С = F + K + 1. С) С = F – K + 1. D) С = K – F Каким отрезком определяется концентрация компонента А в точке т диаграммы состояния (рис. )? A) Am. B)fm. С) тВ. D) сf 3. Какая диаграмма состояния представлена на рис. 25? А)Однокомпонентная диаграмма. В) Диаграмма с химическим соединени­ем. С) Диаграмма с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоя­нии. D) На рисунке представлена не диаграмма, а лишь ее температурная ось. 4. Какая диаграмма состояния представлена на рис. 26? A) С неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. B) С химическим соединением. С) С отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. D) С ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. 5. Что такое эвтектика? А) Вещество, образующееся при некотором соотношении компонентов и имеющее кристаллическую решетку, отличную от решеток, составляющих эвтек­тику веществ. В) Механическая смесь двух компонентов. С) Неограниченный твердый раствор компонентов друг в друге. D) Механическая смесь, образующая­ся в результате одновременной кристаллизации компонентов или твердых рас­творов из жидкого раствора.

6. Диаграмма состояния какого типа представлена на рис. 27? А) С неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В) С ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. С) С не­устойчивым химическим соединением. D) С отсутствием растворимости компо­нентов в твердом состоянии. 7. Какая диаграмма состояния представлена на рис. 28? А) С неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В) С ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. С) С хи­мическим соединением. D) С отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. 8. Отношением каких отрезков определяется количество кристалличе­ской фазы в сплаве / - / в точке b (рис. 29)? bclac. В) bclab. С) ab/ас. D) аb/bс. 9. В каком из сплавов эвтектическая реакция займет больше времени, если скорость кристаллизации во всех сплавах одинакова (рис. 30)? А) е. В) с. С) Во всех сплавах одинаково. D) d.

10. При каких температурных условиях кристаллизуются чистые металлы? А) В зависимости от природы металла температура может снижаться в од­них случаях, повышаться в других и оставаться постоянной в третьих. В) При снижающейся температуре. С) При растущей температуре. D) При постоянной температуре. 11. При каких температурных условиях кристаллизуются сплавы в сис­теме с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии? А) Все сплавы кристаллизуются при снижающейся температуре. В) Кри­сталлизация сплавов протекает при снижающейся температуре, завершается -при постоянной. С) Все сплавы кристаллизуются при постоянной температуре. D) Сплавы кристаллизуются при растущей температуре (из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации). 12. При каких температурных условиях кристаллизуются эвтектики в двухкомпонентных сплавах? А) При снижающейся температуре. В) В зависимости от вида сплава темпе­ратура может расти в одних случаях, снижаться в других и оставаться постоянной в третьих. С) При постоянной температуре. D) При растущей температуре. 13. Как меняется температура сплавов системы с отсутствием раствори­мости компонентов в твердом состоянии в процессе кристаллизации? А) Снижается (кроме эвтектического сплава), завершается кристаллизация всех сплавов при постоянной температуре. В) Остается постоянной. С) Снижает­ся. D) Снижается (кроме эвтектического сплава), завершается кристаллизация некоторых сплавов при постоянной температуре. 14. В чем состоит отличие эвтектоидного превращения от эвтектического? А) При эвтектоидном превращении возникают промежуточные фазы, при эвтектическом - механические смеси. В) Принципиальных отличий нет. Это од­нотипные превращения. С) При эвтектоидном превращении распадается твердый раствор, при эвтектическом - жидкий. D) При эвтектоидном превращении из твердых растворов выделяются вторичные кристаллы, при эвтектическом - из жидкости - первичные.

15. Какому сплаву (каким сплавам) принадлежит кривая охлаждения В (рис.31)? d. В) а и d. С) b. D) b и с. 16. Какая из приведенных структур принадлежит сплаву при ком­натной температуре (рис. 32)? А) В. В) С. C)A.D)D. 17. В какой из диаграмм (рис. 33) имеется неустойчивое химическое со­ единение? D. В) С. С) В. D) А.

18. На рис. 34 представлена диаграмма состояния с полиморфным пре­вращением компонента А. Какое из суждений о диаграмме справедливо? А) Высокотемпературная модификация компонента А изоморфна В. В) Тип кристаллической решетки компонента А отличен от В. С) Низкотемпературная модификация А изоморфна компоненту В. D) Компонент А имеет кристалличе­скую решетку того же типа, что и компонент В. 19. Какое из суждений относительно приведенной на рис. 35 диаграммы справедливо? На рис. 35 приведена диаграмма... А) А - В. Компоненты А и В неограниченно растворяются друг в друге. B) с полиморфным превращением. Обе модификации А изоморфны компоненту В. C) с эвтектикой. Низкотемпературная модификация А и компонент В имеют од­нотипные решетки. D)c перитектикой. Компонент А имеет полиморфное пре­вращение. Низкотемпературная модификация А изоморфна В. 20. В какой диаграмме (каких диаграммах) состояния есть полиморфное превращение (рис. 36)? A)D. B)A.C)C. D)B И C.

21. Каков состав сплава в точке z (рис. 37) тройной системы ABC? А) А = 30 %, В = 60 %, С = 10 %. В)А = 10 %, В = 60 %, С = 30 %. С) А = 60 %, В = 10 %, С = 30 %. D) А = 10 %, В = 30%, С = 60 %.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 СТАБИЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СТАЛИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 СТАБИЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СТАЛИ Цель: Изучение стабильных структур стали, их влияние на свойства. Назначение марок сталей Методические указания Диаграмма железо-углерод. Структуры на диаграмме.

А – аустенит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe g. Тип решетки – ГЦК. Максимальная растворимость углерода – 2,14% при температуре 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавов до t min = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре t min = 727° C А устойчив только при определенном содержании углерода (0,8%) – точка S. При падении температуры ниже 727° C А распадается и переходит в П. П – перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода – 0,8%. Образуется в результате перераспределения углерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф и Ц. Ф – феррит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fe a ; ОЦК- решетка; содержание углерода – меньше 0,006% при t=20° C. Из-за малого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу. Ц – цементит – химическое соединение Fe 3 C – карбид (сложная кристаллическая решетка). С = 6,67%. Ц – самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый и прочный из всех сплавов. Л А – ледебурит аустенитный – эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется при температуре 1147° C (линия ECD). Л П – ледебурит перлитный – эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из Л А при температуре

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода. Кроме того, в их состав обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально (легирующие элементы). Стали классифицируют по самым различным признакам. Мы рассмотрим следующие: Химический состав В зависимости от химического состава различают: стали углеродистые (ГОСТ , ГОСТ ) и легированные (ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ ). В свою очередь, углеродистые стали могут быть: а) малоуглеродистыми, т.е. содержащими углерода менее 0,25 %; б) среднеуглеродистыми, в которых содержание углерода составляет 0,25-0,60 %; в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60 %. Легированные стали подразделяются на: а) низколегированные, содержащие до 2,5 % легирующих элементов; б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 % до 10,0 % легирующих элементов; в) высоколегированные, которые содержат свыше 10,0 % легирующих элементов. Назначение По назначению стали бывают: а) конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий; б) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочий инструмент; эти стали содержат более 0,65 % углерода; в) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар; г) с особыми химическими свойствами, например нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали. Качество В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора, - стали подразделяют на: а) стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора; б) качественные - до 0,035 % серы и фосфора каждого отдельно; в) высококачественные - до 0,025 % серы и фосфора; г) особовысококачественные - до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы.

Степень раскисления По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, существуют: а) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы "сп" опускаются); б) кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп"; в) полуспокойные стали - занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс". Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы: а) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы и фосфора); б) сталь группы Б - по химическому составу; в) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности в, относительное удлинение %, предел текучести т, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами. Сталь углеродистая обыкновенного качества Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа А в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют в конце номер соответствующей категории, первую категорию обычно не указывают. Ст 1 кп 2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, номер марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); ВСт 5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, номер марки 5, первой категории, с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В); БСт 0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст 0 и ВСт 0 по степени раскисления не разделяют). Пачки, концы или торцы прутков стали всех марок независимо от группы и степени раскисления маркируют несмываемой краской следующих цветов: сталь Ст 0 - красной и зеленой, Ст 1 - белой и черной, Ст 2 - желтой, Ст 3 - красной, Ст 4 - черной, Ст 5 - зеленой, Ст 6 - синей.

Сталь углеродистая качественная Качественные стали маркируют следующим образом: 1) в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации: а) в сотых долях процента для большинства сталей: 05 кп - сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05 % углерода; 60 - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60 % углерода; б) в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У": У7 - углеродистая инструментальная качественная сталь, содержащая 0,7 % С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены); У12 - углеродистая инструментальная качественная сталь, спокойная, содержит 1,2 % С; В конце марки высококачественной стали ставят букву "А" (буква "А" в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь У8А - углеродистая инструментальная высококачественная сталь, содержащая 0,8 % углерода; Порядок выполнения работы Назначить по фотографии количество структур, входящих в состав стали Определить количество углерода по формуле Назначить марку и расшифровать ее Определить механические свойства по формуле Пример выполнения Количество Ф- 80% Количество П-20% С% = П% * 0,8/100 = 20*0,8/100 = 0,16% Сталь 15 - сталь малоуглеродистая с содержанием углерода 0,15%, доэвтектоидная, структура Ф+П, качественная, конструкционная. Назначение: крепеж, листы, проволока Определение механических свойств: Твердость: НВ = Ф% * НВФ/100 + П% * НВП/100 = 80 * 100/ *200/100 = 120 Прочность: б = Ф% * бф/100 + П% * бп/100 = 80 * 30/ * 80/ 100 = 40 кгс/мм*мм Пластичность: = Ф% * ф/100 + П% * п/100 = 80 * 30/ * 10/ 100 = 26%