Диаграммы состояния и термическая обработка сплавов

Цель работы

1. Изучить основные разновидности диаграмм состояния двойных сплавов.

2. Научиться определять по диаграмме состояния возможность проведения термической обработки сплавов, их упрочнения.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Прочитайте внимательно основные сведения о диаграммах состояния сплавов, о возможностях термической обработки сплавов, особенно с целью упрочнения.

2. Выполните все пункты задания на карточке (по указанию преподавателя). Проанализируйте полученный материал и сделайте выводы о возможностях использования диаграмм состояния для практической работы со сплавами.

3. Поясните, какие сплавы металлических систем могут подвергаться упрочняющей термической обработке.

 

Основные положения

Для практической работы с двойными сплавами необходимо знать их структуру, возможность ее изменения с изменением температуры и состава сплава и, таким образом, судить о свойствах сплавов и о возможностях изменения свойств в нужном направлении. Необходимость изменить структуру и свойства сплавов может возникнуть, если при получении детали методом литья произошла внутрикристаллическая ликвация, если нужно упрочнить сплав термической обработкой, и в некоторых других случаях. Для определения возможности проведения термической обработки и назначения ее температурного режима нужно знать закономерности изменения фазового состава в зависимости от температуры и химического состава сплава в данной системе. Графическая зависимость, содержащая эту информацию, называется диаграммой состояния. Диаграммы состояния позволяют получать разностороннюю информацию о сплавах. С их помощью можно судить о литейных свойствах сплавов и, соответственно, о возможности получения из них отливок, о склонности сплавов к внутрикристаллической ликвации и ликвации по удельному весу при кристаллизации, о пластичности различных сплавов и возможности их пластического деформирования при изготовлении изделий.

Чаще всего для построения диаграмм состояния металлических систем используют термический анализ, основанный на том, что плавление, кристаллизация и все структурные изменения сплавов в твердом состоянии происходят с тепловыми эффектами (с поглощением или выделением тепла). Следовательно, снимая кривые нагрева или охлаждения сплавов разного состава какой-либо системы, можно зафиксировать температуры, при которых происходят те или иные изменения в структуре. Если затем эту информацию представить графически в координатах «температура ‑ состав сплава», то получится диаграмма состояния системы. На диаграмме состояния будут, по крайней мере, две линии: начала кристаллизации (ликвидус) и окончания кристаллизации (солидус). У многих сплавов, кроме того, происходят различные превращения в твердом состоянии, что тоже отражается линиями на диаграмме.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов в сплаве, соответствия или различия в их атомно-кристаллическом строении возможно образование различных фаз: твердых растворов, механической смеси кристаллов отдельных компонентов, химических соединений и др. Это взаимодействие описывается различными видами диаграмм состояния с разными возможностями изменения структуры и проведения термической обработки сплавов.

Определение состава и количества фаз

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служат правило отрезков и правило концентраций.

Правило концентраций

Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, лежащей между линиями ликвидус и солидус (например, в точке c, рис 1), нужно провести через эту точку прямую, параллельную оси концентраций, до пересечения с линиями солидус и ликвидус (линия acb). Точки a и b пересечения этой прямой с линиями диаграммы, ограничивающими данную область, определяют присутствующие в сплаве фазы (в нашем случае – жидкость и кристаллы α). Проекция точки а пересечения этой линии с ликвидусом на ось концентраций (точка а') указывает состав жидкой фазы, а проекция точки b пересечения с солидусом (b') – состав твердой фазы. Линия ab, соединяющая составы фаз, находящихся в равновесии, называется конодой.

 

Правило отрезков

Количество твердой фазы в точке c определяется отношением длины отрезка ас, примыкающего к ликвидусу, к длине всей коноды ab. Количество жидкости – отношением длины отрезка bc, примыкающего к солидусу, к длине всей коноды:

 

%;

%.

Это понятно, если проследить изменение этих отрезков при охлаждении: отрезок ас будет расти, а отрезок bc – наоборот, уменьшаться. Количество твердой фазы при охлаждении растет, а количество жидкости уменьшается до полного ее исчезновения.