Как построить диаграмму состояния металла

Построение диаграммы состояния

Обычно для построения диаграммы состояние пользуются термическим методом, т. е. строят кривые охлаждения, и по остановкам и перегибам на кривой охлаждения, вызванным тепловым эффектом фазовых превращений, определяют температуры превращения (критические точки).

На рис. 5 приведены кривые охлаждения сплавов свинец — сурьма при различном составе. Горизонтальные площадки и точки перегиба соответствуют критическим точкам.

Имея достаточное количество сплавов с различным соотношением количества свинца и сурьмы и определив в каждом сплава температуры превращения (критические точки), можно построить диаграмму состояния. На рис. 5 приведена диаграмма состояния для сплава свинец — сурьма, составленная на основе данных кривых охлаждения. Геометрическое место точек начала кристализации кривых 1 — 6 образует линию ликвидуса АСВ, а определяющих полное затвердевание сплавов — линию солидуса DСЕ.

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии обладают полной нерастворимостью и не образуют химических соединений друг с другом.

На линии АС диаграммы (рис. 5) жидкие сплавы начинают выделять при охлаждении кристаллы Рв, а на линии СВ — кристаллы Sb. В точке С из жидкого сплава, содержащего Sb и Рb в соотношении 13 и 87%, выделяются одновременно кристаллы Рb и Sb, образуя структуру механической смеси, называемую эвтектикой. Одновременное выделение обеих фаз приводит к тому, что эвтектический сплав затвердевает при постоянной температуре, т. е. аналогично чистым металлам (см. кривые 1, 4 и 6 на рис. 5).

Рис. 5 . Диаграмма состояния сплава свинец — сурьма, построенная по кривым охлаждения.

Сплавы с иным соотношением Sb и Рb затвердевают в интервале температур между линиями АСВ иДСЕ. В них сначала выделяется или Рb (если сурьмы меньше 13%), или Sb (если сурьмы больше 113%) и лишь затем при эвтектической температуре (246°) происходит превращение оставшейся жидкости в эвтектику.

Сплавы металлов имеют различные виды диаграмм состояния . Так, при дальнейшем охлаждении некоторые твердые растворы претерпевают процессы кристаллизации в твердом состоянии «процессы вторичной кристаллизации, например, эвтектическое превращение твердого раствора, названное эвтектоидным). В этом случае диаграмма состояния приобретает более сложный вид (рис. 6).

Рис.6 . Диаграмма состояния сплавов железо — цементит

Источник

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Мы уже начинали рассматривать диаграммы состояния в этой публикации и там разобрали основные понятия, которые важно осмыслить, прежде, чем вникать в тему более глубоко. Но тут меня попросили разобрать диаграмму состояния железо-углерод (её ещё частенько называют железо-цементит). Ну что же, запасаемся попкорном и пытаемся вместе разобраться в этом крокодиле.

Диаграмма состояния железо-углерод , в том или ином количестве, встречается всем инженерам. Изучают её на курсе материаловедения, а прослушивают этот курс все технари. В большинстве случаев, изучение этой темы превращается в кошмар. Особенно, когда тебя просят нарисовать этот кошмар по памяти на листочке. Но главный вопрос — почему именно эта диаграмма? Ответ простой. На диаграмме железо-углерод есть большая часть сложных моментов, которые вообще встречаются на диаграммах состояния. От того, поняв её мы разберемся и со всеми основами чтения диаграмм. Кроме всего этого, сплавы железа всё ещё продолжают заниматься лидирующее положение среди конструкционных материалов. Поэтому, вперёд друзья.

Как мы помним, диаграмма состояния — это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.

Значит, диаграмма железо-углерод — это отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химсостава и температуры.

Это нужно для того, чтобы мы, зная химический состав стали и температуру системы, могли понять, какой фазовый состав будем иметь. Знания эти необходимы для того, чтобы выбрать правильный режим термической обработки или подобрать вариант механической обработки (ведь зная фазовый состав мы уже примерно представляем свойства).

Вот, собственно, и всё, что нужно знать про диаграмму :). Теперь остается научиться её читать. И с этим есть масса сложностей.

Вот диаграмма железо-углерод на рисунке ниже. И что это? А мы не понимаем, что это :)! Давайте разбираться, ибо сейчас оно выглядит скорее как клетчатый листочек с нарисованным динозавром.

По оси ординат у нас обозначены температуры системы . По оси абцисс — химические составы .

Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость. Но про фазы чуть позднее.

Слева у нас феррит . Справа — углерод . Количество углерода растёт слева направо.

Обратите внимание и на нижнюю шкалу, где отложен Fe3C.

Это цементит . Его количество также увеличивается слева направо. Цементит — это карбид железа или химическое соединение железа с углеродом . Но есть подлянка, куда же без неё :). Максимальное количество углерода в этой системе у нас 6,67% . А вот цементита будет 100%. Процентное содержание цементита не соответствует проценту углерода.

Это появилось из-за того, что в системе железо-углерод в целом возможно максимальное содержание углерода 6,67% на физическом уровне .

И вот тут внимание! Чистое железо (альфа-железо) у нас на диаграмме есть только в крайней левой точке . Этот вопрос любят задавать на защитах. Всё что дальше вправо — это феррит. А феррит, как мы помним, это твёрдый раствор углерода в альфа железе . Или, сплав железа с углеродом.

На диаграмме мы видим и сталь, и чугун . Их отличие в том, что сталь — это содержание углерода в сплаве с железом от 0,02 до 2,14%. Чугун — тот же сплав железа с углеродом, но с содержанием от 2,14% углерода.

Фазы на диаграмме

Само собой, из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав . Или на кой чёрт она бы ещё сдалась 🙂 Тут мы видим следующие фазы .

• Жидкая фаза — это коктейль, который получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.
• Феррит — уже обсудили, что это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.
• Аустенит — это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.
• Цементит — тоже уже обсудили. Химическое соединение железа с углеродом. Максимальная концентрация углерода в цементите 6,67% по массе и это предельная для железоуглеродистых сплавов концентрация.
• Графит — это фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Он выделяется в системе железо-углерод при определенных условиях.

Сразу отмечу, что на этом фазы заканчиваются. Преподы любят заваливать на подобных вопросах. Фаз на диаграмме у нас больше нет, зато есть кое-что ещё. Об этом далее.

Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и за гамма-железо . Это так называемый полиморфизм. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный.

На самой же диаграмме есть ещё всякие буковки . И если буквы А (аустенит), Ж (жидкость), Ц (цементит), то всё ясно. Но ещё есть буквы Л и П. Что это такое?

Структуры на диаграмме

Л — это ледебурит . Так называется особенная структура, характерная преимущественно для чугунов. Представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Её же можно назвать механической смесью.

П — это перлит . Ещё одна структура, которая представлена эвтектоидной смесью из тонких пластинок феррита и цементита.

Новые слова для нас эвтектическая и эветктоидная. Эвтектическая в данном случае означает образование гетерогенной структуры сплава. Эвтектоидная — по сути тоже самое, только образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых.

Эветктика же, это точка, в которой находятся в термодинамическом равновесии n — твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов.

Что происходит на диаграмме железо-углерод

Теперь самое веселое. Вроде бы всё, что вокруг на диаграмме есть, мы проанализировали. Остается понять что во что и когда превращается 🙂

Ну, мы уже поняли, что отправная точка — это температура. Греем систему из железа и углерода и видим изменения.

На диаграмме мы видим многочисленные линии ликвидуса и солидуса . Это линии, по которым идёт плавление и кристаллизация соответственно.

Удобно пользоваться следующей картинкой. Здесь расставлены все фазы и структуры.

Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.

Всё, что выше линий ABCD — жидкая фаза. Значит это линия ликвидус . Выше неё только жидкая фаза. Дальше работаем по правилу фаз Гиббса. Линию солидус найти сложнее. Ниже неё только твердая фаза. Тут солидусов несколько.

Не знаю, стоит ли досконально разбирать каждую линию. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях и я дополню материалы.

Сейчас же попробую обобщить всё одной фразой . Читаем внимательно. Диаграмма состояния железо-углерод, с размеченными областями, как показано на рисунке выше, указывает нам фазовые и структурные состояния, которые мы имеем в системе при данных параметрах (температура и химсостав) . Линии указывают начало или конец процесса кристаллизации или плавления. Всё! Другого секрета тут нет.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.

Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе . Имеем дело с обычной сталью.

Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.

Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.

В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.

В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.

Ну и всё что выше — это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.

Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.

Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 — 3. Тут ответ очевиден — там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли .

Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 — 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.

Характерные точки на диаграмме железо-углерод

В системе железо-углерод происходит невероятное количество превращений. Несколько мы уже обсудили. Но систематизируем все знания.

Источник

Методы построения диаграмм состояния

Методы построения диаграмм состояния

• Метод диаграммы состояния Экспериментальное построение фазовой диаграммы возможно в связи с тем, что фазовое превращение сплава характеризуется изменением физико-механических свойств (электрического сопротивления, удельного объема и др.) или тепловыми эффектами. Поскольку переход сплава из жидкого состояния в твердое сопряжен со значительным выделением тепла, путем измерения температуры во время нагрева или охлаждения в зависимости от времени можно определить критическую температуру, при которой происходит фазовое превращение, путем изгиба или остановки кривой охлаждения.

Для коррекции превращения твердого тела с небольшим тепловым эффектом наблюдают физические величины (электричество, магнетизм и другие свойства), которые обычно существенно изменяются в процессе фазового превращения. На рисунке 3.1 показана зависимость длины образца железа от температуры. При температуре 911°с наблюдается уменьшение длины образца. Это свидетельствует о переходе железа из одного фазового состояния в другое, и при температуре 1392°С наблюдается новое превращение. Эти физические эффекты указывают

на фазовый переход, не раскрывая атомную структуру этих фаз. Людмила Фирмаль

Диаграмма состояния строится в координатах температуры и химического состава сплава. Для экспериментального построения диаграммы состояния сплава, образованного компонентами а и в, необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием компонентов А и В. Для каждого сплава, критическая точка определяется экспериментально.

То есть температура фазового перехода. Температура результата Рисунок 3.1.Схема изменения длины образца железа в зависимости от температуры нагрева Рисунок 32.Схема создания диаграммы состояния Поместите его на вертикальной линии в соответствии с химическим составом сплава. Соедините важные точки и получите линию диаграммы состояния.

• 1 из простейших диаграмм состояния показана на рисунке. 3.2.Здесь линии представляют собой жидкофазные геометрические места всех точек, определяющих температуру, при которой начинается кристаллизация сплава (латинское слово»жидкость» означает жидкость).Солидус соответствует точке, определяющей температуру в конце кристаллизации сплава («Сори» — твердый).Эти линии разделяют диаграмму состояния на области с различными фазовыми конфигурациями.

Расположение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплава, поэтому температура ключевых точек при составлении диаграммы состояния определяется при медленном охлаждении или нагреве. Такая фигура называется равновесием. Таким образом, диаграмма состояния представляет собой графическое представление фазового состава сплава в данной системе в зависимости от температуры и химического состава сплава.

Левый край горизонтальной оси соответствует содержанию 1 100% двух компонентов. Людмила Фирмаль

Фракция 2-го компонента откладывается слева направо от этой оси. Правый край соответствует 2-ой составляющей 100%.Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяются по фазовым правилам и могут быть теоретически продемонстрированы Совершение процесса трансформации для установления равновесного состояния системы. Общий закон существования устойчивой фазы, соответствующей состоянию равновесия, может быть выражен в математической форме, называемой правилом фазы (Гиббса).Фазовое правило позволяет прогнозировать и проверять процессы, происходящие в сплаве при нагреве и охлаждении.

Указывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в диапазоне температур, и указывает количество фаз, которые могут существовать одновременно в системе. Обычно диаграмма состояния строится с постоянным (атмосферным) давлением, поэтому фазовое правило выражается в следующей формуле: С = К 4-1-Ф、 Где K-количество компонентов в системе. Количество F-фаз. Рядом с степенями свободы(или системные отклонения).Число степеней свободы — это число независимых переменных внутренних (фазовый состав) и внешних (температура, давление) факторов, которые могут изменяться без изменения числа фаз в равновесном состоянии.

Согласно правилу фазы, в бинарной системе с постоянным давлением может быть до 3 фаз одновременно. Это возможно при C = 0 (Ф-2 4-1).Только при определенном фазовом составе и температуре имеется 3 phases. In двоичная система, когда число фаз больше, чем sin, это означает, что сплав не находится в равновесии или количество фаз или компонентов определяется неправильно. Для однофазных состояний правила фазы не применяются. Экспериментальное построение диаграмм состояния является очень трудоемким процессом, требующим подготовки большого количества экспериментальных сплавов.

Однако, если у вас есть необходимые термодинамические данные（ В раунде t2 2 фазы сосуществуют между A и b в термодинамическом равновесии. Жидкий раствор состава xx и твердый раствор состава xb. Свободная энергия этих решений соответствует точкам а и В. Для более точного построения Ликвидуса и Солидуса необходимо иметь несколько инт I-стоек. диапазон температур между Z и Z3. Это Б ％ Рисунок 3.3.Термодинамическая демонстрация диаграммы состояния сплава, в которой компоненты полностью растворяются в жидком и твердом состоянии Можно построить диаграмму состояния равновесия (используя правила геометрической термодинамики).

Известно, что только фазовый состав в системе с минимальной свободной энергией (термодинамическим потенциалом) при заданной температуре приводится в равновесие. Синтезируем простейшую диаграмму состояния. Экспериментальная структура показана на рисунке 1. 3.2.На рис. 3.3 показана зависимость между диаграммой характеристик свободной энергии и диаграммой состояния возможных фаз при 3 определенных температурах z, z2 и Z3.In

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник