Диаграмма состояния системы алюминий-медь
Вопрос 1. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-медь. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.
Наиболее важной примесью в дуралюмине является медь.
Диаграмма состояния сплавов А1—Си (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твердый раствор с
ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная
кристаллизация, связанная с частичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно подвергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке
0
.
100
0,05 5,7 10 20 30 33
Диаграмма состояния сплавов алюминий — медь.
и старению .Из диаграммы состояния А1 — Си следует, что наибольшая растворимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет
5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алюминии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%. Если сплавы с содержанием меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть закалке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 — Си), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах А1 — Си, является твердое и хрупкое химическое соединение СиА12.
Распад пересыщенного твердого раствора может протекать в течение длительного времени при вылеживании сплава при комнатной температуре (естественное старение) и более быстро при повышенной температуре (искусственное старение). В результате старения твердость и прочность сплава повышаются, а пластичность и вязкость снижаются.
Согласно теории старения, наиболее полно разработанной с помощью правил Курнакова, процесс старения в сплавах протекает в несколько стадий. Упрочнение сплавов, наблюдающееся в результате старения, соответствует периоду выделения избыточных фаз в высокодисперсном состоянии. Происходящие в структуре изменения можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Обычно эта стадия процесса протекает у закаленных сплавов при естественном старении. При этом твердость и прочность сплава повышаются.
При нагреве закаленных сплавов до сравнительно низких температур, разных для различных сплавов (искусственное старение), протекает вторая стадия, состоящая в укрупнении частиц выделившихся фаз. Этот процесс можно наблюдать при помощи оптического микроскопа. Появление в микроструктуре укрупненных выделений фаз-упрочнителей совпадает с новым изменением свойств — снижением прочности и твердости сплава и повышением его пластичности и вязкости. Старение наблюдается только у сплавов, которые имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры. Так как большое количество сплавов имеет диаграмму этого типа, то явление старения весьма распространено. На явлении старения основана термическая обработка многих цветных сплавов — алюминиевых, медных и др.
В рассмотренных выше сплавах А1 — Си этот процесс протекает следующим образом. При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование зон (дисков) с повышенным содержанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье — Престона, равна двум-трем атомным слоям. При нагреве до 100° и выше эти зоны превращаются в так называемую Ө - фазу, являющуюся неустойчивой аллотропической модификацией химического соединения СиА12. При температуре выше 250° фаза 9' превращается в фазу Ө (СиА12). Дальше происходит укрупнение выделений фазы Ө (СиА12). Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.
В дуралюмине марки Д1 в процессе распада твердого раствора выделяется также фаза Ө, а в дуралюмине марки Д16 таких фаз несколько.
Технология термической обработки деталей из дуралюмина состоит из закалки, проводимой с целью получения пересыщенного твердого раствора, и естественного или искусственного старения. Для закалки детали нагревают до 495° и охлаждают в холодной воде.
Закаленные детали подвергают естественному старению путем выдерживания их при комнатной температуре. После 4—7 суток вылеживания детали приобретают наиболее высокую прочность и твердость. Так, предел прочности дуралюмина марки Д1, находящегося в отожженном состоянии, составляет 25 кг/мм2, а твердость его равна Н В = 45; после закалки и естественного старения предел прочности равен 40 кг/мм2, а твердость повышается до Нв= 100.
Время, необходимое для распада твердого раствора, может быть сокращено до нескольких часов путем нагрева закаленного дуралюмина до 100 - 150◦ (искусственное старение), однако значения твердости и прочности при искусственном старении несколько ниже, чем при естественном. Несколько снижае5тся и коррозионная устойчивость. Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6.Дуралюмины марок ДЗП и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью.
Дуралюмины получили широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиастроении, вследствие малого удельного веса и высоких механических свойств после термической обработки.
При маркировке дуралюмининов буква Д обозначает «дуралюмин», А цифра - условный номер сплава.
2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Сплавы железа с углеродом условно относят к двухкомпонентным сплавам. В их составе, кроме основных компонентов — железа и углерода, содержатся в небольших количествах обычные примеси— марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы — азот, кислород, водород и иногда следы некоторых других элементов. Железо с углеродом образует устойчивое химическое соединение Fe3C(93,33% Fe и 6,67% С), называемое карбидом железа или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с карбидом железа (система Fe—Fe3C), в которых вторым компонентом является цементит.
При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет свободного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут являться карбид железа и углерод; сплавы будут относиться ко второй системе Fe3C—С, которая исследована недостаточно. Кроме того, железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% обладают большой хрупкостью и практически не применяются.
Сплавы Fe—Fe3C (с содержанием С до 6,67%), наоборот, имеют большое практическое значение. На рис. 2 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe—Fe3C, построенная в координатах температура — концентрация. По оси ординат отложены температуры нагрева сплавов, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует 100% содержанию железа, а правая ордината—содержанию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe3C).
На правой ординате отложена температура плавления Fe3C, соответствующая 1550° (точка D на диаграмме).
В связи с тем что железо имеет модификации, на левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка А на диаграмме), отложены также температуры аллотропических превращений железа: 1390° (точка N) и 910° (точка G).
Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие сплавам разной концентрации от 0 до 6,67% С
Рис. 2. Структурная диаграмма состояния сплавов Fe — Fe3C.
В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образоваться, что зависит от содержания кремния, марганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe—Fe3C и Fe3C—С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой сплавов Fe—С, не имеющей химических соединений.
2.1 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
Микроскопический анализ показывает, что в железоуглеродистых сплавах образуется шесть структурных составляющих, а именно: феррит, цементит, аустенит и графит, а также перлит и ледебурит.
Ферритом называют твердый раствор внедрения углерода в Fea. Так как растворимость углерода в Fe« незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fea. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен различной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25 кг/мм2, твердость НВ = 80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768° (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше — парамагнитен.
Цементитом называют карбид железа Fe3C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен различной величины. Цементит тверд (НВ > 800 ед.) и хрупок, а относительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (первичный цементит или Ц1), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц2). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц3. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц — пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210° (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее — парамагнитен.
Аустенитом называют твердый раствор внедрения углерода в FeY. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двойниками). Твердость аустенита равна НВ = 220. Аустенит парамагнитен.
Страницы: 1, 2
