Билет22

1. Диаграмма состояния сплавов. Правила концентраций и отрезков. Использование диаграмм состояния для определения свойств сплавов и возможных видов их термической обработки.

Диаграммы состояния.

Рассматриваются только бинарные сплавы.

Диаграмма состояния – график, описывающий изменение структурного и фазового состава сплава при изменении температуры. Диаграммы состояния строятся в координатах температура – химический состав. Все диаграммы строятся экспериментально.

Существует несколько основных типов диаграмм состояния бинарных сплавов металлов:

Диаграммы I рода.

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.

Диаграммы II рода.

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.

Диаграммы III рода.

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 t₁ – 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 t₂ весь компонент А расходуется на образование a-кристаллов, следовательно в точке 2 – однофазный твердый сплав. 2-3 – остывание сплава; превращений нет. Ниже температуры t₃ – 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 t₄ – охлаждение сплава – превращений нет. t₄ – t₅ – первичная кристаллизация a-кристаллов, при этом содержание компонента А в жидкости уменьшается и состав жидкости постепенно приближается к эвтектическому (при t₅). 5–5' – состав жидкости соответствует эвтектическому, идет образование эвтектики (температура постоянна). Температура ниже t₅ – 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.

Диаграммы IV рода.

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.

Правило отрезков применяется для двухфазных областей диаграммы. С помощью правила отрезков можно для сплавов постоянного химического состава определить при изменении температуры:

1. Весовое соотношение между фазами.

2. Изменение химического состава фаз.

Правило отрезков для диаграмм I рода.

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 t₁. 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 t₁ – 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 диаграмм II рода.

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 диаграмм III рода.

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.

 

2 Цементуемые и азотируемые стали, их состав, марки, термическая обработка и применение.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины. Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h. = 1…2 мм). Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃>2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

· для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

· для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560^oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700^oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.