Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Строение сплавов. Понятия: сплав, компонент, фаза, структура, промежуточная фаза. Типы промежуточных фаз: фазы внедрения, фазы Лавеса. Условия их образования и свойства. Примеры.

Читайте также:
  1. A. підприємство - це відокремлена економічна структура, яка займається виробництвом та реалізацією певних товарів та послуг з метою отримання доходу; Верно
  2. I. Работы с тяжелыми и вредными условиями труда
  3. I. СИСТЕМА ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
  4. II Способы ценообразования на товар, факторы его выбора
  5. II. Работы с особо тяжелыми и особо вредными условиями труда
  6. III. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
  7. III. УСЛОВИЯ И СРОКИ ПРОВЕДЕНИЯ КОНКУРСА
  8. III. Условия реализации учебной практики
  9. IV.5.1. Условия проведения контрольного эксперимента
  10. V. Порядок организации и условия проведения Конкурса

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).

Фаза-совокупность однородных частей сплава, одинаковых по составу, строению, свойствам и отделенных от других частей поверхностью раздела.

Копоненты-вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Промежуточными фазами называются такие фазы сплавов, кристаллическая решетка которых отличается от кристаллических решеток элементов, входящих в их состав.

Фазы с металлическим типом связи (фазы внедрения) образуются при взаимодействии переходных металлов и неметаллов – углерода, азота, водорода, бора. Если при этом отношение радиусов RНМ /RМ <0,59, образуются фазы с простыми кристаллическими решетками. Примером таких фаз являются карбиды, например TiC, NbC, W2C, нитриды Fe4N, гидриды ZrH4. Если отношение радиусов RНМ /RМ >0,59, атом неметалла не может расположиться в поре решетки металла, образуются фазы со сложными кристаллическими решетками с большим количеством атомов в элементарной ячейке. Примером таких фаз являются карбиды типа Fe3С, карбиды хрома Cr23C6, Cr7C3.

 

Электронные фазы – фазы переменного состава, для которых характерно определенное значение электронной концентрации, e:n, т.е., отношение числа валентных электронов к числу атомов. Обычно e:n принимает значения 3:2, 21:13, 7:4. Указанные концентрации можно выразить химической формулой. Например, в сплавах меди с цинком все электронные фазы будут CuZn, Cu5Zn8 CuZn3.

 

Фазы Лавеса – фазы практически постоянного состава типа А2В образуются при взаимодействии самых различных компонентов; образование их определяется размерным фактором: атомный радиус элемента В меньше, чем атомный радиус элемента А на 20-30%.

Механическая смесь образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава обладают полной нерастворимостью в твердом состоянии. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку. Механические смеси образуют металлы, существенно отличающиеся атомными объемами и температурой плавления.

Диаграмма состояния железо-цементит. Классификация сплавов по содержанию углерода. Компоненты, фазы и структурные составляющие в системе железо-углерод. Процессы, происходящие при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо - металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо - при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

В диаграмме состояния железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.18) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.

 

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

 

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С 5o С.

 

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой, а температуру 1392o С превращения - точкой А4.

 

При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.

 

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности –, предел текучести –) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение –, а относительное сужение –). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

 

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

 

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

 

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).

 

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

 

3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

 

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

 

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.

 

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

 

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

 

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

 

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

 

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

 

2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

 

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

 

При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ((C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)

 

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768o С.

 

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

 

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

 

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).

 

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение –), парамагнитен.

 

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

 

4. Цементит – характеристика дана выше.

 

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

 

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

 

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

 

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит:

 

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

 

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

 

При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

 

По линии HN начинается превращение феррита () в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита () в аустенит заканчивается.

 

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

 

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

 

По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения.

 

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

 

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

 

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

 

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

 

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

 

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

 

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

 

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

 

А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А;

 

A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;

 

A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

 

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение;

 

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

 

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е, при охлаждении – букву r, т.е.. .

 

  1. Химико-термическая обработка. Классификация видов химико-термической обработки и их назначение. Общие закономерности происходящих процессов.

Химико-термической обработкой называют процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Различают три стадии процесса химико-термической обработки.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде и образуются активные диффундирующие элементы, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются поверхностью металла: происходит адсорбция или хемосорбция, в результате тонкий поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации - движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия диффузионное проникновение элемента вглубь металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой кристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса ХТО протекают значительно быстрее третьей, когда формируется структура и свойства диффузионной зоны.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред.

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью сталей, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в сталь, образуя слои значительной толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. В цементируемых сталях, содержание углерода, как правило, не превышает 0,3%.

Карбюризаторы. Среду для цементации (науглероживания) называют карбюризатором. В основном применяют цементацию в твердом, жидком и газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор - древесный уголь с добавкой 20-25% углекислого бария для интенсификации процесса и 3-5% СаСО3 для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Цементуемые детали и карбюризатор упаковываются в контейнер и нагреваются в печи до 910-930оС, т.е. до аустенитного состояния. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом по реакции

2С + О2 ® 2СО

 




Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 416 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2025 год. (0.017 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав