Материаловедение — контрольная работа

Вопрос 21. Изменение термодинамического потенциала свободной энергии сплавов в зависимости от состава и температуры.

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе. В сплавах в твердых состояния, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 1)

Рис. 1 Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации — точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс — концентрация компонентов, по оси ординат — температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиям являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Вопрос 36. Диаграмма сплавов железо цементит. Построить кривую охлаждения с 5,0% С (применить правило фаз). По правилу рычага определить долю цементита первичного и углерода, идущего на его образование в данном сплаве.

Вычерчиваем полностью диаграмму железо — цеметит и указываем структуры во всех областях. Проводим вертикаль, отвечающую составу заданного сплава (5,0%С), отмечаем на ней критические точки (точки пересечения вертикали с жирными линиями диаграммы). Рядом с диаграммой. вычерчиваем кривую охлаждения заданного сплава, пользуясь правилом фаз для двухкомпонентной системы С=3-Ф, где Ф-число фаз, находящихся в равновесии. Описываем только те превращения, которые происходят в заданном сплаве (рисунок 2).

Рисунок 2-Диаграмма состояния системы железоцементит и кривая охлаждения стали (5,0%C)

При охлаждении сплава, содержащего 5,0% углерода, до температуры t1 = 1220С идет простое охлаждение жидкого раствора (БЕЗ ФАЗОВЫХ превращений). Начинал с точки t1 из жидкого раствора выделяются кристаллы первичного цементита. Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом. В интервале температур t1- t2 количество кристаллов цементита увеличивается, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке t2 = 1147С процесс кристаллизации (первичной) заканчивается. В интервале температур t2-t3 происходят фазовые превращения, образуется смесь цементита и ледебурита аустенитного (эвтектическая смесь аустенита и цементита). В точке t3 =727°C начинается вторичная кристаллизация: аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит и образуется смесь цементита и перлитного ледебурита. Перлитный ледебурит эвтектическая смесь перлита и цементита.

Такой сплав называется заэвтектическим белым чугуном и его структура от 727° до комнатной температуры состоит из перлитного ледебурита и цементита.

Для температуры 12 000С и содержания углерода 5,0% сплав содержит: жидкость при содержании углерода 4,5%, кристаллы первичного цементита при содержании углерода 6,67%. Количественное соотношение фаз: Ц (первичный)/ Ж = (5,0−4,5)/ (6,67 5,0) = 0,3.