3

Введение

Материаловедением называют науку, изучающую взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов.

Знание материаловедения необходимо для решения важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надежности и работоспособности механизмов и приборов.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, но при этом в важнейшую роль в развитии науки о материалах выполняет эксперимент.

В книге приведены лабораторные работы по разделам курса «Материаловедение» для студентов технических специальностей ВУЗов.

Цель выполнения лабораторных работ – научить будущих специалистов лучше ориентироваться в выборе материалов для деталей машин и конструкций.

Практическая работа^*

Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Цели работы: изучить основные типы диаграмм состояния двойных систем; приобрести практические навыки изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов; проанализировать полученные данные и определить возможности их использования на практике.

Знание диаграмм состояния различных систем, характеризующих превращения в сплавах, и умение анализировать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать материал для тех или иных изделий в зависимости от предъявляемых к ним требований.

Диаграммы состояния изображаются в координатах температура –содержание компонентов. Линии, соединяющие критические точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фазовый и химический составы сплава, а также его структуру при данной температуре. Вертикальная линия соответствует определенному химическому составу сплава.

В сплаве в процессе кристаллизации могут присутствовать следующие: твердые фазы:

исходные компоненты;

твердые растворы;

химические соединения 3, 4.

1. Исходные компоненты, образующие сплав, могут не вступать в соединения и химические реакции друг с другом в твердом состоянии.

В этом случае каждый компонент после кристаллизации сохраняет свою кристаллическую решетку. Структура сплава представляет собой смесь из зерен отдельных компонентов с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью.

2. Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся в результате распределения атомов одного компонента в кристаллической решетке другого компонента. У твердого раствора кристаллическая решетка одного из компонентов (растворителя) сохраняется, а атомы растворенного компонента располагаются в его решетке, изменяя только ее параметры. Кристаллическая решетка твердых растворов может состоять из атомов двух или нескольких компонентов. Различают твердые растворы замещения, когда атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах кристал-

^ Продолжение лабораторной работы 3

лической решетки, и твердые растворы внедрения, когда атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях решетки растворителя.

Твердые растворы замещения бывают неограниченные и ограниченные, а твердые растворы внедрения, как правило, с ограниченной растворимостью (рис. 3.2).

а б

Рис. 3.2. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора:

а – твердый раствор замещения; б – твердый раствор внедрения

3. Химические соединения – это соединения, которые имеют:

– свою кристаллическую решетку, отличную от решеток исходных компонентов;

– кратное массовое соотношение элементов, что позволяет выразить их состав формулой А_тВ_п, где А и В – компоненты сплава, а т и п – простые числа;

– постоянную температуру плавления (диссоциации).

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов, способных образовывать сплавы с химическими элементами.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава.

В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы, химические соединения, эвтектические смеси), различают несколько типов диаграмм состояния.

На рис. 7 представлена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику. Линия АСВ рассматриваемой диаграммы является линией ликвидуса. Линия АDCFB – солидус. Ниже линии солидус в интервале концентрации от нуля до точки Е устойчив твердый раствор компонента В в А (α). В интервале концентрации от точки Е до точки К в твердых сплавах присутствуют кристаллы двух фаз – α и - твердые растворы. При концентрации компонента В больше чем в точке К,. устойчива одна фаза – компонента А в В ().

В доэвтектических сплавах, при охлаждении от линии АС, до температуры Т_Э из жидкости, выделяются кристаллы α-твердого раствора. В сплавах содержащих компонента В больше чем в точке С, при охлаждении ниже линии СВ до температуры Т_Э выделяются кристаллы  – твердого раствора.

Точка D характеризует предельную растворимость компонента В в А, а точка F – компонента А в В при температуре Т_Э, а точки Е и К характеризуют предельную растворимость соответственно компонентов В в А и А в В при комнатной температуре.

Линия DE определяет предельную растворимость компонента В в А, которая не изменяется с понижением температуры, также не изменяется растворимость компонента А в В, что показывает линия FK.

Сплав, соответствующий точке С (50 % В), затвердевает при постоянной температуре Т_Э, при этом из жидкого раствора выделяются предельно насыщенные кристаллы твердых растворов _D и _F, образуя эвтектическую смесь.

Рассмотрим для доэвтектического сплава 1 (рис. 3.3) процесс формирования структуры. Построим кривую охлаждения для сплава 1 (35 % В) от жидкого состояния до комнатной температуры, учитывая, что в точках пересечения вертикали с любой линией фазового равновесия происходит превращение, сопровождающееся тепловым эффектом.

При некотором переохлаждении ниже температуры T_ж, жидкость становится насыщенной по отношению к α-твердому раствору, который будет выделяться до температуры Т_Э, при этом состав жидкой фазы будет изменяться по ликвидусу от точки 1 до точки С, а состав твердой фазы – по солидусу от точки 1´ до точки D.

На кривой охлаждения при температуре T_ж отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Процесс выделения кристаллов -твердого раствора из жидкого сплава идет в интервале температур, так как система имеет одну степень свободы:

.

При достижении эвтектической температуры Т_Э кристаллы  достигают предельной концентрации _D (точки D), а жидкая фаза получает эвтектический состав Ж_С (точки С).

В этих условиях из жидкой фазы кристаллизуются предельно насыщенные твердые растворы _D и _F, образуя эвтектику:

Ж _С Э (_D + _F).

Эвтектическая реакция протекает изотермически и при постоянном составе реагирующих фаз, так как в двухкомпонентном сплаве одновременно сосуществуют три фазы (Ж_С, _D и _F). Число степеней свободы системы равно нулю:

С = K + 1– Ф = 2 + 1 – 3 =0,

поэтому на кривой охлаждения (рис. 4.6) образуется площадка.

После затвердевания сплав I состоит из первичных кристаллов α и эвтектики ( + ).

Рис. 3.3. Диаграмма состояния сплавов с постоянной ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

В любой точке на диаграмме состояния, которая показывает фазовый состав сплава при данной температуре, можно определить весовое количество фаз. Если такая точка попадает в область однофазного состояния, то весовое количество данной фазы составляет 100 %, а её состав соответствует исходному составу сплава. Если точка попадает в область двухфазного равновесия, то здесь для определения состава фаз через эту точку необходимо провести горизонталь (коноду). Проекции точек пересечения на ось концентрации и дают состав фаз.

Для определения весового состава фаз в двухфазной области необходимо воспользоваться правилом рычага. Согласно правилу отрезки, которые получают на горизонтали между данной точкой сплава и точками пересечения горизонтали с линиями диаграммы состояния, обратно пропорциональны количеству фаз.

Рассмотрим сплав I в точке а (рис. 4.6) при температуре t₁. Для этого проведем горизонтальную прямую dh через точку а. Ее левая точка d лежит на линии солидус и определяет состав твердой фазы при температуре t₁. Справа точка h, лежащая на линии ликвидус, показывает состав жидкости, находящейся в равновесии с -фазой. Используя правило рычага можно определить количество кристаллов твердой фазы в точке а:

а количество жидкой фазы в этой точке – по формуле

Также правило рычага используют для определения количественного соотношения фаз в точке b (при температуре t₂). Тогда весовое количество твердого раствора α составит

а количество твердого раствора β

Состав твердого раствора α при температуре t₂ определится проекцией точки m, а состав твердого раствора β – проекцией точки n на ось концентраций.

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель: изучить превращения в сплавах системы железо–цементит и структуры сталей различного состава в равновесном состоянии. Определить содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.

Приборы, материалы и оборудование

1. Микроскоп МИМ-7.

2. Комплект микрошлифов сталей.