Применение правила фаз

 

Введение................................ 3

1. Двойные диаграммы состояний сплавов.............. 3

2. Диаграмма состоянии сплавов железо-углерод.......... 12

3. Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей................................... 19

Литература............................... 53

 

Редактор И.Л. Бачурина

Компьютерная верстка М.Н. Авдюховой

ЛР № 021316 от 25 декабря 1998 г.

 

Сдано в набор 13.11.02 г. Подписано к печати 03. 02. 03 г.

Тир. 25 экз. Уч.-изд. л. 2,6. Формат 60x84 7,б. Усл. псч. л. 2.79.

Гарнитура Таймс.

 

 

162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5 Череповецкий государственный университет

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Институт металлургии и химии

Кафедра металлургических технологий

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО КУРСАМ

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» И «ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ»

 

 

Учебно-методическое пособие

 

 

Направления: 651300 - металлургия;

650800 - теплоэнергетика

 

Специальности: 110100 - металлургия черных металлов;

110600 - обработка металлов давлением;

100700 - промышленная теплоэнергетика

 

 

Череповец 2003

Методические указания к практическим занятиям по курсам «Материаловедение» и «Термическая обработка металлов»: Учеб. – метод. пособие Череповец ЧГУ, 2003 - 48 с

 

 

Рассмотрено на заседании кафедры металлургических технологий, протокол № 7 от 2002 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Института металлургии и химии ЧГУ, протокол № 5 от 31.05 02 г

 

 

Рецензенты: В.В. Ермилов - канд. техн. наук, доц. (ЧГУ);

З.К. Кабаков - д-р техн. наук, проф. (ЧГУ)

 

Составители: Г. С. Козлов - канд. техн. наук, доц.;

С. Н. Сумин – канд. техн. наук, доц.;

Н. А. Злокина – ст. преп.

 

Научный редактор: З.К. Кабаков - д-р техн. наук, проф.

 

 

© Череповецкий государственный университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

В данном учебно-методическом пособии рассматриваются двойные диаграммы состояний сплавов, диаграмма состояний сплавов железо - углерод, классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей, термическая обработка металлов. Приводятся основные теоретические сведения по диаграммам состояний, о механизме превращений в сплавах, применение правила фаз и правила отрезков. Даны варианты задач по каждому разделу пособия.

ДВОЙНЫЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ СПЛАВОВ

 

Диаграммы состояний представляют собой графическое изображение состояния сплавов и показывают превращения, протекающие в них в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Фазовые превращения в сплавах обычно сопровождаются тепловым эффектом, т.е. выделением или поглощением тепла. На кривых нагрева или охлаждения наблюдаются площадки или перегибы. Площадка свидетельствует о том, что превращение происходит при постоянной температуре, а перегиб - в интервале температур. Это критические точки, позволяющие установить температуры начала и окончания фазовых превращений.

На практических занятиях разбираются диаграммы состояний различных типов (рис. 1-11). Для разбора диаграмм состояний необходимо:

- начертить диаграмму, дать ее общую характеристику, указать фазы в каждой области диаграммы, а ниже линии солидус указать также структурные составляющие;

- объяснить характер превращений в системе для каждой линии диаграммы;

- объяснить характер превращений и построить кривые охлаждения для заданных сплавов I и II;

- определить концентрацию второго компонента в фазах, присутствующих в точке X, и рассчитать для этой точки количественное соотношение фаз.

В общую характеристику диаграммы входят: характер растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях, существование и характеристика химических соединений, характеристика всех фаз.

Рассмотрим для примера диаграмму состояний Сu - Ag (рис. 1).

Система характеризуется образованием ограниченных твердых растворов. Химических соединений в системе нет.

 

А)

 

 

Б)

 

Рис. 1

 

 

Верхняя ломаная линия ABC - линия ликвидус. Линия ADEC - линия солидус. Выше линий ликвидус сплавы образуют одну жидкую фазу. Применяя правило фаз к системе Cu-Ag, у которой число компонентов к = 2, получим число степеней свободы с = 2 + 1 - ф = = 3 - ф. Выше линии ABC имеется одна жидкая фаза (ф = 1) и число степеней свободы с = 3 - 1 = 2. Такая система двухвариантна, т.е. можно менять и температуру, и концентрацию сплава, не изменяя его равновесия, сплав будет оставаться в жидком состоянии. Между линиями ликвидус и солидус расположены двухфазные области. Здесь ф = 2 при числе степеней свободы с = 3 - 2 = 1. Система одновариантна, что позволяет произвольно менять, сохраняя равновесие сплава, либо температуру, либо концентрацию. В двухфазных областях присутствуют фазы, которые ограничивают эту область слева и справа. Однофазные области, примыкающие к боковым вертикалям диаграммы, являются областями твердых растворов α и β. α - твердый раствор - область твердого раствора Ag в Сu. β- твердый раствор - область твердого раствора Сu в Ag. Таким образом, в системе Cu-Ag имеется три фазы и соответствующие им однофазные области на диаграмме:

1) жидкий сплав компонентов (ж) выше линии ликвидус;

2) твердый раствор Ag в Сu (α) в области ADF.

3) твердый раствор Сu в Ag (β) в области CEG. Остальные области двухфазные:

ADB - ж + α; ВСЕ - ж + β; FDEG - α + β.

В системе структурными составляющими являются твердые растворы α и β и их смесь - эвтектика (α + β).

Затем необходимо выписать все имеющиеся на диаграмме линии и пояснить, какие превращения происходят на линиях при охлаждении и нагреве.

Линия АВ - начало кристаллизации твердого раствора а из жидкости при охлаждении или окончание его расплавления при нагреве; AD - окончание кристаллизации твердого раствора α при охлаждении или начало его плавления при нагреве. На линиях ВС и ЕС происходят аналогичные превращения твердого раствора β.

Линия DBE - эвтектическое превращение, из жидкости одновременно кристаллизуются две твердые фазы: α- и β-твердые растворы (такая механическая смесь фаз называется эвтектикой) или одновременное превращение этой смеси в жидкость при нагреве. Точка В - эвтектическая точка. Эвтектическое превращение можно записать в виде реакции:

охлаждение

ж_В ↔ α_D+β_E

нагрев

В эвтектической области число степеней свободы с = 3 - 3 = 0, т.е. система безвариантна и любое изменение температуры или концентрации нарушает равновесие. Линия DF показывает предельную растворимость Ag в Сu в твердом состоянии, линия EG характеризует предельную растворимость Сu в Ag в твердом состоянии.

Структура доэвтектических сплавов состоит из кристаллов α-твердого раствора и эвтектики, структура заэвтектических сплавов - из кристаллов β-твердого раствора и эвтектики. Структура эвтектического сплава - эвтектика. Рассмотрим превращения при охлаждении сплава I. В точке а на линии АВ (рис. 1) начинается кристаллизация α-твердого раствора. Между линиями АВ и AD продолжается кристаллизация, и в точке b она заканчивается. Между линиями AD и DF сплав состоит из одной фазы α-твердого раствора. В точке с на линии DF начинается выделение избыточного количества Ag, но не в виде чистого Ag, а в виде твердого раствора β, т.е. раствора Сu в Ag.

Сплав II является заэвтектическим. В точке d на линии ВС начинается кристаллизация β-твердого раствора. Между линиями ВС и BE продолжается процесс кристаллизации. В точке е сплав состоит из жидкости состава точки В и фазы β состава точки Е. При температуре, соответствующей линии BE, оставшаяся жидкость превращается в эвтектику α + β, а при охлаждении ниже линии BE окончательной структурой сплава будут ранее выделившиеся кристаллы β-твердого раствора и эвтектика α + β. Кривые охлаждения сплавов I и II изображены на рис. 1, б.

Для определения состава фаз через точку X следует провести горизонталь (коноду) до пересечения с линиями двухфазной области диаграммы и обозначить точки, например, m и n. Проекция точки m на ось концентраций дает состав фазы α (10 % Ag), a точки n - состав фазы β (95 % Ag). Для определения количества фазы в двухфазной смеси необходимо применить правило отрезков. Для сплава II в точке X относительное количество α-твердого раствора равно

Q_α= ,

 

Q_α= .

 

Аналогично определяется количество β-твердого раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

 

 

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до 5 % С, поэтому рассматривается участок диаграммы состояний от железа до цементита. На диаграмме сплошные линии соответствуют системе сплавов Fe-Fe₃C (цементит), пунктирные - системе сплавов Fe - С (графит). Диаграмма железо - цементит является метастабильной, а диаграмма железо - графит - стабильной.

Превращения в сталях при нагреве и охлаждении обычно происходят в соответствии с метастабильной диаграммой, а превращения в чугунах могут протекать как по метастабильной, так и по стабильной диаграмме.

На диаграмме три линии (ABC, AHJE и GS) являются общими. Остальные сплошные и пунктирные линии не совпадают потому, что при всех температурах предел растворимости графита в железе меньше, чем цементита. Эвтектическая и эвтектоидная температуры у системы Fe - С выше, чем у системы Fe – Fe₃C.

При анализе диаграммы состояний Fe – Fe₃C необходимо:

1. Вычертить диаграмму состояний Fe – Fe₃C с применением общепринятых буквенных обозначений и с указанием на ней всех фаз и структурных составляющих;

2. Объяснить характер превращений в системе при нагреве и охлаждении для каждой линии диаграммы;

3. Указать концентрационную границу, разделяющую сталь и чугун, и объяснить, в чем состоит главное структурное различие стали и чугуна;

4. Построить с применением правила фаз кривые охлаждения (или нагрева) для некоторых сталей и чугунов, содержащих 0,6; 0,8; 1,2; 3,0; 4,3; 5,0 % С, и объяснить происходящие при этом превращения;

5. Для двух сплавов I и II с содержанием углерода, указанным в табл. 1, определить относительные количества фаз и структурных составляющих при комнатной температуре;

6. Определить состав железоуглеродистого сплава, т.е. концентрацию углерода в нем по процентной доле площади, занимаемой на шлифе одной из структурных составляющих.

Определить тип железоуглеродистого сплава. Объяснить характер превращений в нем при охлаждении. Изобразить микроструктуру сплава, обозначив на ней структурные составляющие (варианты 1-10).

Таблица 1

 

Варианты заданий

Вариант 1

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 25 % площади шлифа занимает структурно-свободный феррит.

Определить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец. Рассчитать концентрацию углерода в сплаве. Дать описание превращений, совершающихся в нем при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 2

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает структурно-свободный цементит

Определить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец. Рассчитать концентрацию углерода в сплаве. Дать описание превращений, совершающихся в нем при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 3

При изучении микроструктуры белого чугуна было установлено, что приблизительно 80 % площади шлифа занимает структурная составляющая - ледебурит, остальная часть шлифа занята цементитом.

Указать, к какому классу белых чугунов относится этот чугун по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в данном чугуне при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру чугуна, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 4

При изучении микроструктуры стали, кристаллизующейся в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает перлит.

Указать, к какому классу углеродистых сталей относится эта сталь по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в ней. Дать описание превращений, совершающихся в данной стали при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру данной стали, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 5

При изучении микроструктуры стали, кристаллизующейся в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 10 % площади шлифа занимает структурно-свободный цементит.

Указать, к какому классу углеродистых сталей относится эта сталь по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в ней. Дать описание превращений, совершающихся в данной стали при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру стали, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 6

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 40 % площади шлифа занимает структурная составляющая - перлит.

Разъяснить, к каким двум типам железоуглеродистых сплавов может относиться исследуемый образец, и рассчитать концентрацию углерода в сплаве с меньшим содержанием этого элемента. Для второго сплава дать описание превращений при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Указать, какие структурные составляющие, наряду с перлитом, содержатся в структуре обоих возможных сплавов, и изобразить схематически микроструктуру одного из них. По какому структурному признаку эти сплавы можно легко отличить друг от друга?

 

Вариант 7

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава было установлено, что приблизительно 20 % площади шлифа занимает структурная составляющая - ледебурит, остальную часть занимает слаботравящаяся однородная структурная составляющая очень высокой твердости.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в этом сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 8

При изучении микроструктуры железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что преобладающую часть площади шлифа (более 99 %) занимает светлая фаза низкой твердости, имеющая зернистое строение. По границам зерен этой фазы располагаются в небольших количествах включения второй фазы высокой твердости.

Разъяснить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец, и указать приблизительную концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 9

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что преобладающую часть площади шлифа занимает перлит. По границам зерен перлита располагается светлая фаза высокой твердости, занимающая приблизительно 7 - 8 % площади шлифа.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать приближенно концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в этом сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать им характеристику.

 

Вариант 10

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает перлит. Остальную часть структуры занимает светлая фаза невысокой твердости, имеющая зернистое строение.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в сплаве при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Применение правила фаз

Рассмотрим построение кривых охлаждения с помощью правила фаз (с = к - 1 + ф) для ряда сплавов железа с углеродом. При кристаллизации сплава с 4,3 % С число фаз равно трем: жидкий сплав состава точки С, цементит первичный и аустенит состава точки Е:

Ж_C → А_Е + Ц_І

Число степеней свободы с = 2 + 1 - 3 = 0, следовательно, здесь на кривой охлаждения появляется температурная остановка (1147 °С). Таким же образом при образовании эвтектоида (перлита) число фаз также будет равно трем: аустенит, цементит и феррит (α-твердый раствор):

А_0,8%C → Ф_α + Ц_І

Поэтому и здесь число степеней свободы с = 2+ 1-3 = 0, следовательно, на кривой охлаждения обнаруживается температурная остановка (727 °С).

У сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5 % С, в результате перитектического превращения

Ж_В + Ф_δН → А _І

в равновесии находится три фазы: жидкая фаза состава точки В высокотемпературный феррит (δ-твердый раствор) и аустенит состава точки J. Число степеней свободы в этом случае с = 2+1-3 = 0 и на кривой охлаждения появляется температурная остановка (1485 °С).

Во всех остальных случаях при выделении из жидкого сплава аустенита или первичного цементита, а также из аустенита- феррита или вторичного цементита число фаз будет равно двум, а с = 2 + 1 - 2 = 1, т.е. процесс протекает с изменением температуры и на кривых охлаждения обнаруживаются наклонные участки. Аналогично и участки на кривых охлаждения сплавов, состоящим из жидкой фазы или аустенита, где с = 2 + 1 — 1=2, идут наклонно.