Материаловедение и технология материалов (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет

,

Материаловедение и технология материалов

Часть I

(сплавы системы Fe-C)

Учебно-методическое пособие

Нижний Новгород

2009

УДК 691.328

ББК 34.222я73

Печатается по решению редакционно-издательского совета Нижегородского государственного педагогического университета

, Материаловедение и технология материалов.

Ч. I. – Н. Новгород: НГПУ, 2009. 36 с.

В пособии изложены основы теории железоуглеродистых сплавов, их классификация, свойства, маркировка.

Пособие выпущено для студентов дневного и заочного отделений технолого-экономического факультета, обучающихся по специальностям 050502 – «Технология и предпринимательство с дополнительной специализацией ИСПЭ» и 280101 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и предназначено для выполнения лабораторной работы, изучения теоретических основ и решения задач.

УДК 620.16 (075)

ББК 34.222я73

Рецензент: , канд. техн. наук, доц.

Нижегородского государственного технического университета

Лабораторная работа

Изучение равновесных микроструктур

железоуглеродистых сплавов

Классификация, маркировка железоуглеродистых сплавов

Цель работы:

1.  Изучить диаграмму состояния «железо-углерод».

2.  Изучить структуру сплавов системы Fe-C.

3.  Усвоить классификацию, маркировку железоуглеродистых сплавов.

4.  Провести полный фазовый и структурный анализ сплавов системы Fe-C.

Краткие сведения из теории

1.Кристаллическое строение металлических материалов

Все металлические материалы, получаемые обычным способом, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких (10-1 – 10-3) различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие нерегламентированных условий кристаллизации образовавшиеся кристаллы имеют неправильную форму (в отличие от монокристаллов правильной формы) и называются кристаллитами или зернами. Кристаллиты состоят из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объем. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках. В первом случае элементарные ячейки называются простыми (примитивными), во втором – сложными.

Все многообразие пространственных решеток можно разделить на семь систем (сингоний), исходя из соотношения между осевыми единицами (a, b, c – ребрами элементарной ячейки) и углами (α, β, γ) между ребрами.

Наиболее распространенными среди металлов являются объемноцентрированная кубическая (ОЦК) (K, Li, Na, Mo, V , Nb, Feα и др.),

гранецентрированная кубическая (ГЦК) (Feγ, Cu, Al, Ni, Pt, Ag и др.),

гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (Mg, Zn, Hf и др.) (рис.1).

2.Полиморфные превращения

Некоторые металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в различных кристаллографических формах (модификациях). Способность металла существовать в различных кристаллографических формах называют аллотропией или полиморфизмом.

В результате полиморфного превращения меняется тип кристаллической решетки.

Полиморфную модификацию, устойчивую принаиболее низкой температуре, обозначают α, при более высокой β, затем γ и δ.

Известны такие полиморфные превращения для металлов:

Feα Feγ; Соα Соβ; TiαTiβ; Mnα Mnβ Mnγ Mnδ и т. д.,

а также Ca,Na,Li,Cs,Sr,La,V и др. имеют различные модификации.

Изменение формы и типа решетки кристаллов при полиморфных превращениях, происходящих в твердом металле, называется перекристаллизацией, при этом меняется форма и размер кристаллических зерен. Переход металла из одной полиморфной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла (при охлаждении) или поглощением тепла (при нагревании).

3.Основные понятия теории сплавов

Чистые металлы (кристаллическая решетка состоит из одинаковых атомов) в обычном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому наиболее широко распространены сплавы.

Сплав – это вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более элементов.

Сплавы обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами.

Изменяя концентрацию компонентов, можно получить множество сплавов, объединенных в систему из одних и тех же компонентов.

Система – это вещество (или группа веществ), выделенное из окружающей среды таким образом, что влияние этой среды исключено.

В системе сплавов выделяется такое понятие как фаза.

Фаза – это однородная часть системы (сплава), имеющая однородный состав, кристаллическое строение, свойства, находящаяся в одном и том же агрегатном состоянии и ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно.

Для исследования внутреннего строения металлов и сплавов изучают структуру.

Структура – это форма и размеры кристаллов, в виде которых находятся разные фазы в сплавах.

Строение материала, изучаемое при использовании микроскопа, называется микроструктурой, а строение материала, изучаемое невооруженным глазом и при помощи лупы (увеличение не более 50 раз), называется макроструктурой.

В зависимости от взаимодействия компонентов сплава образуются следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

Жидкий раствор – раствор одного компонента в другом в жидком состоянии, характеризуется ближним порядком в расположении атомов.

Твердые растворы образуются в тех случаях, когда атомы различных элементов, смешиваясь в разных соотношениях, способны образовать общую кристаллическую решетку.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Различают раствор внедрения и твердый раствор замещения (рис.2).

Микроструктура твердого раствора представляет собой однородные кристаллические зерна, мало отличающиеся от структуры чистого металла. Если компоненты сплава могут вступать в химическое взаимодействие, то образуется химическое соединение, которое имеет характерные особенности.

1.  Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов, входящих в это соединение. Большинство соединений имеет сложную кристаллическую структуру.

2.  В соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой: AnBm , где А, В – соответствующие компоненты; n, m – простые числа.

3.  Свойство химического соединения отличается от свойств входящих его компонентов.

4.  Температура плавления постоянна.

К химическим соединениям относятся:

Fe3C, Mo2C, Fe4N, Fe2O3, CuAl2 и т. д.

Например, Fe3C – карбид железа, или цементит:

1)  имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов;

2)  соотношение компонентов 3:1 (3 атома Fe к одному атому С);

3)  свойства цементита резко отличаются от свойств Fe и С;

4)  Тпл Fe3C=1250°С.

В твердом состоянии может не быть химического взаимодействиямежду компонентами или взаимного растворения друг в друге, тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц, зерен обоих компонентов.

Отдельные фазы также могут находиться в сплаве в виде механических смесей (частицы нескольких фаз чередуются, последовательно образуя смесь этих фаз). Примером может служить перлит, ледебурит.

4.Правило фаз, правило отрезков и диаграмма состояния

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описываются с помощью диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия (рис.3).

Диаграмма состояния в удобной графической форме показывает фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации.

Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Таким образом, диаграмма состояния характеризует окончательное состояние сплавов, т. е. полученное после того, как все превращения в них произошли, и кристаллизация полностью закончилась.

Это состояние сплава характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз и зависит от внешних условий (температуры, давления).

Закономерность изменения числа фаз в сплаве определяется правилом фаз. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

С=К+2 – Ф,

где С – число степеней свободы (вариантность),

К – число компонентов, образующих систему,

2 – число внешних параметров (температура, давление),

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.