ЗАДАЧИ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Диаграммы состояния показывают в условиях равновесия фазо­вый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации и позволяют качественно характеризовать многие физико-химиче­ские, механические и технологические свойства сплавов.

Существенно, что анализ диаграмм состояния позволяет, кроме того, решать важные инженерные задачи; на основании диаграмм можно определить, какие именно сплавы, и в каком направлении изменяют свою структуру, и многие свойства при переходе к нерав­новесному состоянию, зависящему от реальных условий литья, обработки давлением и специально выполняемой термической обра­ботки.

В приводимых ниже задачах показаны методические пути и воз­можность решения этих вопросов на основании рассмотрения пре­вращений, протекающих в сплавах и указанных в диаграммах со­стояния. В связи с этим в задачах приведены преимущественно те диаграммы состояния, которые характеризуют фазовый состав спла­вов, близких к широко применяемым в технике.

Решение проводимых ниже задач включает выполнение сле­дующих заданий:

1. Начертить заданную диаграмму состояния (как указано на рис. 1).

2. В каждой области диаграммы указать структуры, образую­щиеся в сплавах данной системы в состоянии равновесия.

3. Указать на диаграмме состояния заданные в задаче сплавы и провести соответствующие и провести соответствующие им вертикальные линии (рис.1).

4. Построить в координатах температура – время кривые охлаждения сплавов.

5. Построить схему кристаллизации заданных сплавов, показать графически структуры, образующиеся в процессе кристаллизации, а также превращения, протекающие в сплавах при охлаждении.

6. Дать характеристику состояния заданных сплавов при температурах, указанных в задаче.

7. Ответить в результате сделанного анализа превращений на основной вопрос задачи о структуре, свойствах, обработке и области применения заданных в ней сплавов.

Таблица 1

Характеристика состояния сплавов при различных температурах

ЗАДАЧИ

№ 1. Разобрать диаграмму состояния Fe-P в части, ограниченной областью Fe —Fe₂P, и процессы превращения в сплавах I, II и III, содержащих: I — 0,05, II — 2, 111 — 17% Р.

Определить фазовый состав и количественное соотношение фаз: сплава I при 20° С, сплава II при 100 и 1350° С, сплава III при 20 и 1200° С.

Указать, какие отклонения в структуре при первичной кристалли­зации сплавов этой системы можно ожидать в условиях ускоренного охлаждения.

Решение задачи № 1.

Решение по первым вопросам задачи дано в диаграммах и таблице на рис. 1. Ответ на последний вопрос приведен ниже.

Разбираемая диаграмма состояния является равновесной. Между тем некоторые превращения в сплавах протекают настолько медленно, что практически не заканчиваются полностью даже при очень дли­тельном охлаждении. К таким превращениям относится, в частности, образование по перитектической реакции твердых растворов или не­устойчивых химических соединений.

Изменение скорости охлаждения смещает отдельные точки и ли­нии превращений на диаграмме, причем величина смещения зависит от степени отклонения сплава от равновесного состояния. Поэтому структуры, наблюдаемые в промышленных сплавах, могут отли­чаться от ожидаемых на основании равновесной диаграммы состояния.

Для полной характеристики данной системы следовало бы иметь не только плоскостную равновесную диаграмму в координатах температура—концентрация, но и пространственную диаграмму в координатах температура—концентрация—время, которая пока­зывала бы переход от неравновесного к равновесному состоянию. Однако такая диаграмма была бы очень сложной. Рассмотрение рав­новесной диаграммы на основе более подробного разбора процессов, протекающих в сплавах, и закономерностей, которым эти процессы подчиняются, позволяет с достаточной вероятностью указать харак­тер превращений при ускоренном охлаждении (особенно при первич­ной кристаллизации). Рассмотрим с этой точки зрения процесс кристаллизации.

Сплав I, согласно диаграмме, кристаллизуется с образованием однородной структуры α-твердого раствора. Затвердевание его про­текает между 1520 и 1500° С при изменении концентрации жидкости и выделяющейся твердой фазы между сотыми долями процента и 1,8% Р. Следовательно, сплав подвержен ликвации.

При ускоренном охлаждении состав кристаллов твердого рас­твора не будет однородным, однако концентрация их не превысит предела растворимости фосфора в железе α (β). Поэтому сплав после

затвердевания в реальных условиях охлаждения не будет отли­чаться по фазовому составу от равновесного. Однако отдельные кристаллы (зерна) сплава по химическому составу будут неоднород­ными.

Получающаяся неоднородность химического состава кристаллов твердого раствора называется внутрикристаллической или внутридендритной ликвацией и соответственно влиянию фосфора на свой­ства железа дополнительно снижает ударную вязкость и пластич­ность, особенно при низких температурах. Это снижение тем зна­чительнее, чем выше концентрация фосфора. Поэтому в высокока­чественной стали содержание фосфора ограничивается до 0,02— 0,03%, а в качественной — до 0,04—0,05%.

Сплав II с 2% Р в равновесном состоянии после затвердевания должен, как и сплав I, иметь структуру однородного твердого рас­твора. Однако и у этого сплава наблюдается большое расхождение между линиями ликвидуса и солидуса по температуре, а также по концентрации; следовательно, он должен быть склонен к ликвации, подобно сплаву I (c 0,05% P). Затвердевание сплава II начинается при температуре около 1500° С и заканчивается при температуре около 1200° С. Уже при 1350° С, как это видно из диаграммы и из таблицы (рис. 1), жидкая фаза (точка б) содержит примерно 4,6% Р, т. е. в полтора раза больше, чем может быть растворено в железе в твердом состоянии при эвтектической температуре. Пре­дел растворимости фосфора в железе (точка В), как показывает диа­грамма (см. рис. 1), равен 2,6% Р. К концу затвердевания состав жидкой фазы будет соответствовать точке с, что соответствует при­мерно 7,5% Р. При ускоренном охлаждении не успевает пройти полностью диффузия, выравнивающая состав сплава. Поэтому по­следняя «порция» жидкой фазы состава с затвердевает подобно до-эвтектическому сплаву такой же концентрации, т. е. образуя некото­рое количество кристаллов α-твердого раствора и эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов а и химического соединения Fe₃P.

Таким образом, при ускоренном охлаждении в сплаве II наряду с кристаллами α-твердого раствора переменной концентрации может присутствовать некоторое количество эвтектики. Наличие эвтек­тики с низкой температурой плавления улучшает жидкотекучесть. В то же время эвтектика вследствие повышенной хрупкости ухудшает механические свойства.

Сплав III в процессе затвердевания, кроме химического соедине­ния Fe₂P, образует еще неустойчивое при высоких температурах хи-

мическое соединение Fe₃P. Поэтому сплав III при нормальной температуре, как следует из диаграммы состояния, должен состоять из смеси кристаллов двух химических соединений Fe₃P + Fe₂P. Количество каждого из этих соединений в сплаве III определяется по правилу отрезков и составляет 73% Fe₃P и 27% Fe₂P (табл. 1).

Образование химического соединения Fe₃P происходит по реак­ции между жидкой фазой состава с и химическим соединением Fe₂P, т. е. по типу перитектической реакции, протекающей, как известно, на поверхности раздела фаз.

В условиях ускоренного охлаждения такие реакции не идут до конца, и сплав будет содержать значительно меньшее количество соединения Fe₃P, чем это следует из диаграммы, или даже вовсе не содержит его. Более того, в некоторых случаях последние порции жидкой фазы, содержащие больше железа, чем это соответствует составу химического соединения Fe₃P (например, точка д), могут при затвердевании образовать не­которое количество эвтектики, со­стоящей из мелкодисперсной смеси Fe₃P (Fe₂P) и α-твердого раствора. Таким образом, и сплав III при некоторых условиях (ускоренное охлаждение) может иметь структуру, значительно отличающуюся от ожидаемой по диаграмме состояния.

Магнитные превращения α-твердого раствора и Fe₃P, протека­ющие в этих сплавах и показанные пунктирными линиями на диа­грамме (рис. 1), не вызывают изменений в структуре.

№ 2. Мартенситно-стареющие сплавы на основе системы же­лезо—никель приобретают при закалке мартенситную структуру даже при замедленном охлаждении, если они имеют опре­деленное содержание никеля.

Определить, при какой концентрации никеля: 5; 10 или 20% превращение γ→α протекает как мартенситное, а не как диффу­зионное.

Для решения задачи учесть температуры превращения и по диа­грамме сплавов системы Fe—Ni (рис. 2) рассмотреть процессы пре­вращений в указанных сплавах и количественное соотношение фаз в них при 200° С.

№ 3. Термическая обработка некоторых высокохромистых ста­лей с пониженным содержанием углерода существенно улучшает их вязкость и пластичность. Указать, для каких сплавов системы Fe—Сr применима такая обработка, в чем она заключается, и какое влияние она оказывает на структуру такой стали.

Для решения задачи рассмотреть процессы превращений в сплавах с 10, 20 и 30% Сr (рис. 3) и указать их фазовый состав и количественное соотношение фаз: для сплава I при 20 и 1000⁰C, а для сплавов с 20 и 30% Сr при 20° С.

Рис.2. Диаграмма состояния сплавов Fe-Ni Рис.3. Диаграмма состояния

сплавов Fe-Cr

№ 4. Сплавы хрома с железом приобретают стойкость против эрозии, если содержание хрома составляет 12%; при еще большем повышении содержания хрома: до 25% и выше стойкость против коррозии дополнительно возрастает (см. рис. 3). Однако в этом случае снижается пластичность сплавов, что затрудняет использование для ряда назначений.

Объяснить причины указанного влияния хрома на механические свойства. Для этой цели рассмотреть процессы превращений и структуру сплавов с 12, 25 и 35% Сr. Определить фазовый состав сплава I при 1000 и 20° С, сплавов II и III при 20° С.

№ 5. Сплавы системы Fe—W (см. рис. 4) определенной концентрации получают очень высокую твердость (HRC 63—65) и высокую коэрцитивную силу в результате дисперсионного твердения при отпуске 600—650° С.

Указать: а) примерное содержание вольфрама в таких сплавах; б) термическую обработку, которая должна предшествовать отпус-

ку, и какую структуру она создает в сплаве; в) причины возрастания твердости и коэрцитивной силы при отпуске. Для решения задачи рассмотреть процессы превращений в сплавах с 1; 10 и 45% W и указать их фазовый состав и количественное соотношение фаз при 400° С.

Рис.4. Диаграмма состояния сплавов Fe-W

№ 6. В некоторых сплавах системы Fe—W протекают превращения в твердом состоянии. Развитие превращений зависит от термической обработки и может сильно изменять механические свойства сплавов.

Рассмотреть превращения в сплавах с 2, 15 и 75% W (см. рис. 4).

Определить фазовый состав и количественное соотношение фаз сплавов: I при 1200° С, II при 400° С и сплава III при 1400° С. Ука­зать, в каких сплавах из числа заданных можно изменить структуру и свойства путем термической обработки и какой именно, и объяс­нить, в какой степени (качественно) она может изменить свойства.

Приложение 2