Диаграммы состояния

Диаграммы состояния в графической форме показывают равновесный фазо­вый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Общие закономерности существования фаз в равновесных условиях в мате­матической форме выражаются правилом фаз Гиббса:

f = K – F + 1

где К- число компонентов, образующих систему; F- число фаз; f - число сте­пеней свободы.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Фаза - это одно­родная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком. Под степенями свободы понимают внешние и внутренние факторы (темпе­ратура, концентрация), которые можно изменять, не выводя систему из данного фазо­вого состава (используйте правило фаз при ответе на вопросы 67, 68, 69, 70, 72).

При построении диаграмм состояния используют кривые охлаждения спла­вов, полученные при термическом анализе. По точкам перегиба и температурных остановок, вызванных тепловым эффектом превращений, определяют температу­ры фазовых превращений.

Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма помимо температурной оси (оси ординат), имеет ось концентраций (ось абсцисс). Один конец оси абсцисс соответствует чистому компоненту, например А, другой - В. Все промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

Трехкомпонентные диаграммы имеют вид трехгранной равносторонней призмы, в основании которой лежит концентрационный треугольник, а ребра являются температурными осями. Вершины концентрационного треугольника соответствуют чистым компонентам, стороны - концентрационным осям двой­ных систем, точки внутри треугольника - тройным сплавам. При определении концентрации компонентов в тройном сплаве через заданную точку (фигуратив­ную точку) треугольника проводят линии, параллельные его сторонам. Отрезок линии, заключенный между фигуративной точкой и стороной треугольника, от­несенный к длине стороны, равен содержанию компонента (в долях единицы), которому соответствует вершина, противолежащая стороне.

Диаграмма, подобная представленной на рис. 24, называется диаграммой с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Линия диа­граммы А'сВ' называется линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы сущест­вуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия A'fB' - линия солидуса. Ни­же нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде неог­раниченного твердого раствора a). Между линиями А'сВ' и A'fB' сплавы имеют двухфазный состав (L + a).

Химический состав фаз и их относительное количество в сплаве при темпе­ратуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков.

Чтобы определить химический состав фаз, нужно через заданную точку, ха­рактеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести ноду (коноду). Нодой (конодой)называют горизонтальную линию, лежащую в двухфазной области диаграммы и опирающуюся своими концами на фазовые границы). Проекции концов ноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов ноды, к длине всей ноды равно относительному количеству фазы, на границу с которой опирается второй конец ноды. (Используйте правило отрезков при ответе на вопросы 65, 66).

На рис. 30 представлена диаграмма с отсутствием растворимости компонен­тов в твердом состоянии. Здесь линия АСВ - ликвидус, DCE - солидус. Кристал­лизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь кристаллов компо­нентов А и В. Образовавшаяся таким образом смесь называется эвтектической или эвтектикой. Сплав, кристаллизация которого начинается непосредственно с эвтектического превращения (в данном случае сплав, фигуративная линия кото­рого проходит через точку С), называется эвтектическим.

На рис. 31 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью компо­нентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий ликвидус и солидус (АСВ и ADCEB) диаграмма содержит линии DF и EG предельной раство­римости компонента В в твердом растворе a (А(В)) и компонента А в твердом растворе b (В(А)), соответственно. Кристаллизация сплава " с" начинается после пересечения линии ликвидус с выделения кристаллов твердого раствора b. Затем при пересечении линии DCE (линии эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов a и b. При дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшени­ем растворимости компонента А в В (А) выделяются кристаллы твердого раство­ра a, богатого компонентом А. В конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами b, эвтектикой (a + b) и вторичными кристаллами a.

На рис. 33, Впредставлена диаграмма с ограниченной растворимостью ком­понентов в твердом состоянии (диаграмма с перитектикой). Перитектическое превращение протекает на линии CDE. Существо его состоит в том, что кристал­лы твердого раствора a, выделившиеся при охлаждении ниже линии АЕ, взаимо­действуют с остатком жидкой фазы, следствием чего является образованием твердого раствора b.

Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии хими­ческого соединения. Диаграммы с неустойчивым химическим соединением внешне напоминают диаграмму с перитектикой, однако вместо твердого раствора здесь образуется химическое соединение (границы твердого раствора как бы стя­гиваются в одну вертикальную линию).

Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные превращения, зависит от характера взаимодействия аллотропических модифика­ций компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, распо­ложенные этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сход­ные по виду с эвтектическим, но с распадом не жидкости, а твердого раствора. Пре­вращение подобного типа, в отличие от эвтектического, называют эвтектоидным.

1.2.4. Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов

Материал при приложении к нему внешних сил деформируется. Деформа­ция может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после прекращения действия приложенных сил. При упругом де­формировании атомы обратимо смещаются от положения равновесия. При пла­стическом - атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация стано­вится необратимой.

При пластическом деформировании скольжение в кристаллической решетке происходит по плоскостям с наибольшей плотностью расположения атомов (с наибольшей ретикулярной плотностью). Например, в решетке ГЦК такими плоскостями являются {111}, в ОЦК - {110}. (Фигурными скобками обозначает­ся совокупность плоскостей с одинаковым атомным строением. Например, {110} включает эквивалентные плоскости (110), (101), (011) и др.).

На свойства металлов большое влияние оказывает их дислокационная структура. Прочность бездислокационных кристаллов (теоретическая прочность) в сотни раз превышает прочность реальных материалов. При плотности дислока­ций порядка 10⁶... 10⁸ см^-2, характерной для чистых неупрочненных металлов, сопротивление деформированию наименьшее. При увеличении плотности сверх указанных значений подвижность дислокаций снижается, что воспринимается нами как рост прочности. Эффективными способами повышения плотности дис­локаций (и других дефектов) и снижения их подвижности являются легирование, пластическое деформирование (деформационное упрочнение), упрочняющая термическая и химико-термическая обработка.

Состояние пластически деформированного металла термодинамически не­устойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве. Про­цессы, протекающие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизация.

Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и свя­занных с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном уменьшение коли­чества точечных дефектов). Полигонизация - процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и переползании дисло­каций.

Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процес­сы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. Размер рекристаллизованных зерен зависит от величины перегрева выше темпе­ратурного порога рекристаллизации и от степени предшествующей деформации. Степень деформации (обычно 3... 8 %), при которой нагрев деформированного тела приводит к гигантскому росту рекристаллизованных зерен, называется кри­тической.

Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и определяется по формуле: Т_рекр = аТ_пл, где Т_рекр и Т_пл - абсолютные температуры рекристаллизации и плавления; а - коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем чище металл, тем а меньше.

Если деформирование металла ведут при температуре, ниже температуры рекристаллизации, то такую обработку называют холодной. При холодной обра­ботке металл деформационно упрочняется. При обработке, ведущейся выше тем­пературы рекристаллизации, упрочнение снимается рекристаллизационными процессами. Такая обработка называется горячей.

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротив­ление действию внешних механических нагрузок.

Прочность металла при статическом нагружении - это свойство, опре­деляющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стан­дартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел теку­чести и временное сопротивление.

Пределом упругости называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданной малой величины, установленной усло­виями (например, 0, 005% - s_{0, 005}).

Предел текучести (условный) - это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0, 2% (s₀₂). Предел текучести физический уста­навливают по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести (на­пример, рис. 38).

Временное сопротивление (s_в) характеризует максимальное на­пряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения услов­ные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагруз­ки к исходному сечению образца; истинным - к сечению, которое образец приоб­рел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными на­пряжениями.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механиче­ских свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях экс­плуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, на­дежности и долговечности.

К критериям прочности при статических нагрузках относят s_в, (при оценоч­ных расчетах пластичных материалов используют твердость) или s_02, модуль упругости. В некоторых случаях имеют значение удельные характеристики, кри­терии жаропрочности.

Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказы­вать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контакт­ных воздействиях.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отно­шение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и пол­зучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызы­вающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность (относи­тельное удлинение - d, относительное сужение - y), вязкость разрушения (К_1с), ударная вязкость (KCU, KCV, КСТ), хладноломкость.

d и y характеризуют изменения геометрических параметров стандартных образцов при напряжении, вызывающем разрушение.

К_1С показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость - это сопротивление разрушению при динамиче­ских нафузках.

Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характе­ризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок. Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0, 5... 1, 0 мм) до разрушения. Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозер­нистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома, носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств металла) разрушения.

При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентра­ции напряжений (деформации), локализующихся на различного рода поврежде­ниях поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая об­работка, поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей