Ответы на вопросы к вступительному экзамену по теме Термическая обработка. Термическая обработка. Термическая обработка

• Название: Термическая обработка
• Анкор: Ответы на вопросы к вступительному экзамену по теме Термическая обработка
• Дата: 15.05.2023
• Размер: 2.1 Mb.
• Имя файла: Термическая обработка.docx
• Тип: Документы; #1132976
• страница: 3 из 7

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплавов. Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, выбрать режимы литья, термической обработки и обработки давлением.

Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовое превращение сплава отмечается изменением различных свойств (электросопротивления, удельного объёма и т.д.) либо тепловым эффектом.

Диаграммы строят для равновесного состояния сплавов, которое соответствует минимальному значению свободной энергии системы. Такое состояние достигается при малых скоростях охлаждения или нагрева.

Диаграммы состояния сплавов строят в координатах "концентрация компонентов – температура". Температуру откладывают по оси ординат, а концентрацию компонентов – по оси абсцисс. Причем слева направо увеличивается количество компонента В, а справа налево – компонента А. Таким образом, в начале координат находится чистый компонент А (абсцисса равна нулю – содержание компонента В = 0%); при значении абсциссы, равному 100%, имеем чистый компонент В. Общее содержание компонентов в сплаве равно 100%, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию обоих компонентов.

При построении диаграмм состояния обычно используют метод термического анализа. Данный метод заключается в построении кривых охлаждения сплавов известного состава в координатах «температура – время», и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванными тепловым эффектом превращений, определяют критические точки сплава – температуры, при которых происходят структурные превращения в сплавах. Затем строят диаграммы состояния так, как было описано выше.

1. 
   Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
   

Рисунок 10. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов и кривая охлаждения

Компоненты: A и B. Фазы: жидкий раствор L и твердый раствор .

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз – жидкого раствора L и твердого раствора ; трёх фаз быть не может. Кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет. Верхняя линия – ликвидус, нижняя - солидус. Выше линии ликвидус все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже солидуса – в твердом (кристаллическом).

Описание кривой охлаждения: выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии (жидкий раствор L). В точке 1 отмечается перегиб – начало кристаллизации, в точке 2 снова отмечается перегиб – окончание кристаллизации. Между точками 1 и 2 система состоит из жидкого расплава L и твёрдой фазы в виде кристаллов . Ниже точки 2 происходит полное охлаждение сплава – твёрдого раствора .

2. 
   Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и наличием эвтектического превращения
   

Рисунок 11. Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью и наличием эвтектики и кривая охлаждения для сплава состава 20%B и 80%A

Компоненты: A, B. Фазы: жидкий раствор L и твердые растворы и .

В сплавах такого рода возможно существование жидкой фазы L, твердого раствора компонента В в компоненте А - α- твердый раствор и твердого раствора компонента А в компоненте В – β-твердый раствор. В таких сплавах возможно нонвариантное равновесие при одновременном существовании трех фаз: L, α., β. В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы α и β.

Около вертикалей А и В находятся области существования твердых растворов α и β (области АDF и BEG). Предельная растворимость компонента В в компоненте А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В – линий EG. Сплавы, находящиеся между этими двумя линиями, находятся за пределами растворимости и являются двухфазными, состоящими из фаз α и β. Линия АСВ является на этой диаграмме линией ликвидуса, АDСЕВ – солидуса. Линия DСЕ – линия эвтектических превращений, С – тройная точка.

Тройная точка – точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов.

Эвтектическая точка – нонвариантная (при постоянном давлении) точка в системе из n компонентов, в которой находятся в термодинамическом равновесии n твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика представляет собой раствор или расплав, кристаллизующийся при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Соответственно, температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов. Это явление как раз и отражает этимология термина.

Описание кривой охлаждения: выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается выделение кристаллов твердого раствора α. В точке 2 кристаллизация заканчивается. Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, т.е. наблюдается простое охлаждение сплава. Ниже точки 3 твердый раствор α является пересыщенным и из него начинают выделяться избыточные кристаллы – β_II -твердого раствора, которые называются вторичными. Вторичными они называются потому, что процесс кристаллизации протекает в твердой фазе. Кристаллизацию из жидкой фазы называют первичной, соответственно кристаллы - первичные.

Линия ЕG, в отличие от линии DF, изображена вертикальной, т.е. растворимость А в В не зависит от температуры. Поэтому вторичных α_II- кристаллов нет.

3. 
   Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и перитектикой
   

Компоненты: A и B. Фазы: L, , β.

В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы L, твердого раствора компонента B в компоненте A – α-твердый раствор, твердого раствора компонента A в компоненте B – β-твердый раствор.

При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L+ β→ α. Реакция подобного типа называется перитектической.  Диаграмма с перитектическим превращением показана на рисунке 12.  На диаграмме показаны три однофазные области: жидкость L и ограниченные твердые растворы α и β.

Линия ABC является линией ликвидус, линия APDB— линией солидус.



Рисунок 12. Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и перитектическим превращением



Рисунок 13. Кривые охлаждения

Описание кривой охлаждения I: кристаллизация начинается в точке 1, когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки b. Затем по мере снижения температуры жидкость меняют свою концентрацию по линии ликвидус от точки 1 до точки G, а кристаллы β – по линии солидус от точки b до точки D. По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке C, а состав кристаллов – точке D. Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой определяется точкой P – третьей точкой на горизонтали. Количественное соотношение фаз при перитектической реакции, необходимое для образования α-фазы, определяется по правилу отрезков соотношением:

Количество β  = CP   

Количество L=PD

В рассматриваемом же сплаве количество участвующих в перитектической реакции кристаллов β и жидкости определяется соотношением:

Количество β   =    C2

Количество L=   2D

т. е. в данном сплаве имеется избыток β-фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования α-кристаллов. Поэтому по окончании реакции в избытке остаются β-кристаллы. Следовательно, в структуре будут продукты перитектической реакции (т. е. α-кристаллы) и оставшиеся избыточные первичные β-кристаллы. Чем ближе точка 2 лежит к точке P, тем меньше в реакции остается избыточных β-кристаллов.

Для сплава, отвечающего по концентрации точке Р, соотношение реагирующих при перитектическом превращении жидкости и β-кристаллов таково, что оно как раз достаточно для образования α-кристаллов предельной концентрации.

На рис. а показана кривая охлаждения сплава I. Для перитектической кристаллизации (средняя схема) характерно то, что новая α-фаза появляется на границе реагирующей друг с другом жидкости и β-кристаллов. Для сплава I перитектической реакцией заканчивается процесс кристаллизации.

Описание для кривой охлаждения II.  Отличие кристаллизации этого сплава от кристаллизации сплава I состоит в том, что при перитектической температуре имеется избыток жидкой фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования α-кристаллов концентрации Р. Поэтому перитектическое превращение заканчивается исчерпанием β-твердого раствора, и оставшаяся жидкость в интервале между точками 2'— 3 кристаллизуется  в α-фазу. При этом концентрация жидкости изменяется по кривой С—а, а концентрация образующихся α-кристаллов — по Ρ — 3 .

 

4. 
   Диаграмма состояния сплава с отсутствием растворимости в твердом состоянии и наличием эвтектического превращения
   

Рисунок 14. Диаграмма состояния сплава с отсутствием растворимости в твердом состоянии и наличием эвтектического превращения

Компоненты: A, B. Фазы: жидкий раствор L, кристаллы A и кристаллы B (максимальное значение фаз – 3).

АСВ – ликвидус. DСЕ – солидус. При охлаждении по АС начинают выделяться кристаллы А, по СВ – кристаллы В. На линии DСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В, образуя эвтектику. DСЕ – линия эвтектических превращений.

Ниже линии АС область двухфазная. Здесь существуют одновременно жидкий раствор L и твердая фаза – кристаллы А.



Рисунок 15. Кривая охлаждения

Описание кривой охлаждения: в точке 1 – начало кристаллизации сплава I. На кривой охлаждения наблюдается перегиб. В процессе кристаллизации состав жидкости будет меняться по линии АС. В точке 2 жидкость будет иметь концентрацию точки С. При этой температуре из жидкости одновременно выделяются кристаллы А и В, образуя механическую смесь – эвтектику (А+В), т.е. образуются двухфазные кристаллы. Этот процесс изотермический и происходит по линии DСЕ, которая называется линией эвтектических превращений. С – тройная точка: при данной температуре и данном составе в системе существует 3 фазы: L, А, В.

Сплав 1 – доэвтектический. Структура: А + эвтектика (А+В)

Сплав 2 – эвтектический. Структура: эвтектика (А+В)

Сплав 3 – заэвтектический. Структура В + эвтектика (А + В).

5. 
   Диаграмма состояния для сплавов с промежуточной фазой
   

Рисунок 16. Диаграмма состояния сплава с промежуточной фазы

Компоненты: A, B. Фазы: жидкая фаза L, кристаллы A, кристаллы B, кристаллы A_mB_n.

Точки: А′ – температура плавления и кристаллизации компонента А; В′ – температура плавления и кристаллизации компонента В; С′ – температура плавления и кристаллизации химического соединения А_mB_n ; Е₁ и Е₂– точки эвтектики.

Линии: А′Е₁С′Е₂В′ – ликвидус; А′D Е₁F и G Е₂K В′ – солидус (не касается осей температур и разрывается на ординате химического соединения). Линии DЕ₁F и GЕ₂K в то же время являются и эвтектическими линиями.

Эвтектические равновесия для даннойсистемы представляет собой равновесие жидкости эвтектического состава LE₁ с кристаллами (А) и А_mB_n при температуре t E₁:

LE₁   (А)+ А_mB_n ,

и равновесие жидкости эвтектического состава LE₂ с кристаллами (В) и А_mB_n при температуре t E₂:

LE₂   (B)+ А_mB_n

6. 
   Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением компонентов и эвтектоидным превращением
   

Рисунок 17. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

Из анализа диаграммы, представленной на рисунке 17, можно заключить, что после кристаллизации всех сплавов данной системы в определенном интервале температур образуется твердый раствор , который при понижении температуры ниже t_Э, испытывает эвтектоидное превращение: . Образовавшуюся смесь двух твердых фаз принято называть эвтектоидом. В связи с переменной растворимостью компонентов в твердых растворах α и β при дальнейшем охлаждении следуют вторичные выделения твердых растворов. Наблюдаемые в микроскоп вторичные выделения и показаны на структурной схеме сплавов, приведенной под диаграммой на рисунке 17.

Правило отрезков. Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав, а также количественное соотношение по правилу отрезков. Применять его можно для двухфазных областей диаграмм.

1. 
   Определение состава фаз
   

Предположим, что нам нужно определить состав фаз при разных температурах для сплава 1 (сплошная вертикальная линия), который при комнатной температуре состоит из 70% В и 30% А, на пример в точке n. Проведем через точку n – горизонтальную линию –коноду, до пересечения с линиями диаграммы. Точки пересечения l и s проектируем на ось концентраций. Проекция точки l – покажет состав жидкой фазы, проекция т. s – состав твердой фазы. В данном случае при температуре t – состав жидкой фазы: 30% В и 70% А, состав твердой фазы: 90% В, 10% А.

2. 
   Определение количественного соотношения фаз
   

Для определения количественного соотношения фаз, так же проводят коноду. Правило: количество (масса) фаз обратно пропорционально отрезкам проведенной коноды. Если принять, что отрезок ls – количество всего сплава, то отрезок ln соответствует количеству выпавших кристаллов α, а ns – количеству жидкой фазы. Для определения относительного количества фаз пользуются отношениями:

Ж/С = ns/ ls

Т/С= ln/ ls

где Ж – количество жидкой фазы, С - количество всего сплава, Т – количество твердой фазы.

Если массу всего сплава (C) принять за 100%, то получим:

Ж = ns/ ls · 100%

Т = ln/ ls · 100%

Из диаграммы находим: ls = 60 единиц, ln = 40 ед., ns = 20 ед.

Ж = 20/60 * 100% = 33%

Т = 40/60 ·100% = 67%

Вопрос 5. Особенности процесса затвердевания в неравновесных условиях. Ликвация в сплавах. Внутрикристаллическая ликвация (ВКЛ). Коэффициент ликвации. Влияние ликвации на структуру и свойства. Факторы, влияющие на развитие ВКЛ. Ее устранение путем термической обработки. Зональная ликвация, прямая и обратная. Ликвация по удельному весу и вследствие расслоения. Меры борьбы.
Диаграмма состояния характеризует равновесное состояние сплава, т.е. они описывают структуры сплавов и процессы превращения в сплавах в условиях очень малых скоростей нагревания и охлаждения, при которых успевает пройти диффузия, позволяющая выровнять переменный состав кристаллов твердой фазы, обусловленный различием в температурах затвердевания.

В реальных условиях нагрева и охлаждения диффузия проходить не успевает. В этом случае структура сплавов будет отличаться от равновесной, а состав в пределах каждого кристалла и тем более в разных кристаллах будет различаться и тем сильнее, чем более значительно реальные условия нагрева и охлаждения отличаются от равновесного состояния. На диаграммах состояния это обстоятельство находит отражение в появлении дополнительных линий, характеризующих неравновесные условия кристаллизации.

В условиях неравновесной кристаллизации сплавы затвердевают ниже равновесной температуры затвердевания.

Ликвация – это химическая неоднородность, возникающая в сплаве в процессе (неравновесной) кристаллизации. Ликвация, проявляющаяся в объеме отдельных зерен (кристаллитов, дендритов), называется внутрикристаллической (ВКЛ) или дендритной ликвацией. Если химическая неоднородность наблюдается в объеме всего слитка или отливки, то такая ликвация называется зональной ликвацией.

Ликвация любого вида является нежелательным процессом, т. к. ухудшает многие свойства (механические, коррозионную стойкость и др.) сплава как в состоянии полуфабриката, так и в готовом изделии.