- •Федеральное агентство по образованию
- •Введение
- •Глава 1 общее представление о строении металлов Кристаллические структуры металлов и сплавов
- •1.2. Дефекты строения реальных кристаллов
- •1.3. Кристаллизация металлов
- •1.4. Полиморфизм металлов
- •1.5. Основные сведения о металлических сплавах
- •1.6. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.6.1. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых нерастворимы в твердом состоянии (I рода)
- •1.6.2. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (II рода)
- •1.6.3. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии (III рода)
- •1.6.4. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (IV рода)
- •1.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •2.1. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом
- •2.2. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3c с концентрацией углерода 0...2,14 %
- •2.3. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3c с концентрацией углерода 2,14...6,67 %
- •Глава 3 термическая обработка
- •3.1. Основы термической обработки стали
- •3.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве
- •3.1.2. Превращения аустенита при охлаждении
- •3.1.3. Мартенситное превращение
- •3.1.4. Превращения мартенсита при нагреве
- •3.2. Основные виды термической обработки стали
- •3.2.1. Отжиг сталей
- •3.2.2. Закалка сталей
- •3.2.3. Закаливаемость и прокаливаемость стали
- •3.2.4. Поверхностная закалка
- •3.2.5. Отпуск сталей
- •3.3. Термомеханическая обработка стали
- •3.4. Термическая обработка чугуна
- •3.5. Дефекты термической обработки стали
- •Глава 4 химико-термическая обработка
- •4.1. Основы химико-термической обработки сталей
- •4.2. Цементация
- •4.3. Азотирование
- •4.4. Цианирование
- •4.5. Диффузионная металлизация
- •Глава 5 углеродистые и легированные стали
- •5.1. Влияние примесей на свойства сталей
- •5.2. Классификация сталей
- •5.3. Углеродистые стали
- •5.4. Легированные стали
- •5.4.1. Конструкционные стали
- •5.4.2. Инструментальные стали
- •5.4.3. Стали специального назначения
- •Глава 6 чугун
- •8.1. Белый чугун
- •8.2. Серый чугун
- •8.3. Ковкий чугун
- •8.4. Высокопрочный чугун
- •Глава 6 цветные металлы и сплавы
- •6.1. Общее понятие о цветных металлах
- •6.2. Алюминий и его сплавы
- •6.3. Магний и его сплавы
- •6.4. Медь и ее сплавы
- •6.5. Титан и его сплавы
- •Глава 7 композиционные материалы
- •7.1. Классификация композиционных материалов
- •7.2. Особенности получения км жидкофазными методами
- •7.3. Особенности получения км твердофазными методам»
- •7.4. Методы и условия получения эвтектических км
- •7.5. Технология изготовления дисперсно-упрочненных км
- •7.6. Технология изготовления слоистых км
- •Глава 8 порошковая металлургия
- •8.1. Производство металлических порошков
- •8.2. Формование порошков
- •8.3. Спекание порошковых материалов
- •8.4. Свойства и области применения порошковых материалов
- •8.5. Техническая керамика
- •8.6. Керамике-полимерные материалы
- •Глава 9 неметаллические материалы
- •9.1. Общее понятие о неметаллических материалах
- •9.2. Полимеры
- •9.2.1. Строение и классификация полимеров
- •9.2.2. Свойства полимеров
- •Глава 9. Неметаллические материалы
- •9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы
- •9.3.1. Состав и классификация пластмасс
- •9.3.2. Технология получения изделий из пластмасс и полимерных композиционных материалов
- •9.4. Резиновые материалы
- •9.5. Сотовые и панельные конструкции
- •9.5. Клеящие материалы
- •9.6. Лакокрасочные материалы
- •9.7. Древесные материалы
- •Глава 1 общее представление о строении металлов
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •Глава 3 термическая обработка
- •Глава 4
- •Список литературы
- •Приложения Содержание
- •Глава 1 общее представление о строении металлов 5
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов 25
- •Глава 3 термическая обработка 32
- •Глава 4 61
- •Шевельков Валерий Владимирович
1.6. Диаграммы состояния двойных сплавов
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним закономерности их строения отражаются на диаграммах состояния. Эти диаграммы представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов в условиях равновесия и строятся в координатах температура - состав сплава (рис. 1.8, а).
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз, или законом Гиббса:
где С - число степеней свободы системы; k - число компонентов в системе; f - число фаз в системе.
Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе. Если число степеней свободы равно единице, то можно изменить в некоторых пределах один из перечисленных факторов и это не вызовет уменьшение или увеличение числа фаз.
Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и уравнение правила фаз примет следующий вид:
Для случая кристаллизации чистого металла, когда металл находится в жидком состоянии, f = 1 (одна фаза - жидкость), а число степеней свободы равно 1 (1 - 1 + 1 = 1). В момент кристаллизации f = 2 (две фазы - твердая и жидкая), a C = k – f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0. Это означает, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не исчезнет.
Рис. 1.8. Диаграмма состояния I рода (а), кривые охлаждения сплавов I ...V и схемы их структур (б): АСB - ликвидус; DCE – солидус
Подобным образом можно рассчитать число степеней свободы и для случая кристаллизации сплавов.
Для построения диаграммы используют кривые охлаждения чистых компонентов, образующих систему (в общем случае А и В), и их сплавов различного состава, полученные методом термического анализа (рис. 1.8, б). По кривым охлаждения определяют температуры фазовых превращений - критические точки. На кривых охлаждения I и V чистых компонентов А и В имеется только по одной критической точке, так как кристаллизация чистых металлов протекает при постоянной температуре .
Процесс кристаллизации сплавов II... IV протекает иначе: сначала в интервале температур между точками 1 и 2, а затем при постоянной температуре (точки 2 и2'). Ниже этой температуры происходит охлаждение уже твердого вещества. Первая критическая точка (1), отвечающая началу кристаллизации, называется ликвидус, а вторая (2), отвечающая концу кристаллизации, - солидус.
Если полученные температуры нанести на вертикальные линии для чистых компонентов А и В и выбранных составов сплавов и соединить одной линией точки, отвечающие началу кристаллизации - ликвидус, а другой - точки, отвечающие концу кристаллизации - солидус, то получим диаграмму состояния, показанную на рис. 1.8, а. На этой диаграмме линия АСВ (ликвидус) - линия начала затвердевания сплавов. Выше температур этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия DCE (солидус) - линия конца затвердевания сплавов. При температурах ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом состоянии, а часть - в жидком.
Диаграммы состояния позволяют определить состав фаз и их количественное соотношение в условиях равновесия при определенной температуре; проследить превращения, протекающие при охлаждении и нагревании; определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава; выяснить, будет ли сплав однородным, каковы его жидкотекучесть, пористость, а также выбрать необходимые виды термической обработки сплава.
В процессе кристаллизации любого сплава состав и количество каждой фазы изменяются: количество жидкой фазы уменьшается, а твердой - увеличивается. Количество фаз и их состав в любой точке диаграммы можно определить с помощью правила отрезков. Для определения концентрации компонентов в фазах через заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Точки пересечения указывают на фазы, находящиеся в равновесии, а проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав этих фаз. Массовые (объемные) доли твердой и жидкой фаз в сплаве обратно пропорциональны отрезкам линии между заданной точкой и точками, определяющими составы этих фаз.
В зависимости от характера образующихся в сплавах структурных составляющих (механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие типы диаграмм состояния:
с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии;
с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии;
с ограниченной растворимостью компонентов;
компоненты образуют химическое соединение.