Равномерное распределение

Вариант 65.

Ответ на вопрос № 5.

5. Что называется полиморфизмом металлов? Пояснить сущность на примере железа. Каково практическое значение полиморфизма?

Полиморфизмом (аллотропией) называется существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах (модификациях). Таким образом, при полиморфном превращении изменяется расположение атомов в кристалле, т. е. изменяется тип кристаллической решетки.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Полиморфное превращение — обратимый процесс; он происходит как при нагреве, так и при охлаждении твердого тела. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа, бета, гамма, дельта и т.д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идёт при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком.

На рис. 1. приведена кривая охлаждения железа, характеризующая аллотропические превращения. Железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку до температуру 911° С в интервале 1392 – 1539° С (Fea), а от температуры 911° С до 1392° С имеет гранецентрированную кубическую решетку (Feg). Высокотемпературная a-модификация (от 1392 до 1539° С) иногда обозначается Fed (d-железо). При температуре 768° С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768° С железо магнитно, выше 768° С немагнитно.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Решение задания № 25.

1. Начертить диаграмму состояний железо-цементит, провести на ней ординату, соответствующую заданному сплаву, обозначить на ней все критические точки. Количество углерода 0,70 %, температура 1450 °С.

Рис. 2. Диаграмма состояний железо-цементит.

2. Рядом с диаграммой справа начертить кривую охлаждения данного сплава, показав связь критических точек на диаграмме и кривой охлаждения.

Рис. 3. Слева изображена диаграмма состояний железо-цементит, справа – кривая охлаждения сплава с содержанием углерода 0,7 %. Обозначения на кривой охлаждения: Ж – жидкость, А – аустенит, Ф – феррит, П – перлит.

3. Описать сущность превращений, происходящих в сплаве при медленном охлаждении от температуры в жидком состоянии до комнатной. Обязательно пояснить причины, вызывающие превращения.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,7 % С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – перлит + феррит.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GSсплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

4. На ординате сплава отметить точку, соответствующую заданной температуре и провести через нее коноду. Пользуясь правилом отрезков, определить состав фаз, их количество и процентное содержание компонентов.

Рис. 4. Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков).

Итак, первое правило отрезков гласит: чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Второе правило отрезков: для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Определение состава фаз в точке m:

Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.

Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидус p на ось концентрации.

Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидус q (или осью компонента) на ось концентрации.

Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса.

С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения содержания компонента В.

Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):

Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки.

Количество всего сплава (Q_сп) определяется отрезком pq.

Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой фазы.

pm = 0,3 %, pq = 1,1 %, след-но, Q = 27 %.

Отрезок, прилегающий к линии солидус (или к оси компонента) mq, определяет количество жидкой фазы.

mq = 0,8 %, pq = 1,1 %, следовательно, Q = 73 %.

РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ