Вычертите диаграмму состояния сурьма-германий

1. Опишите явление полиморфизма  в приложении к железу.

 

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой a, при более высокой b, затем g и т. д.

Полиморфное превращение протекает в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим запасом свободной энергии.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (критическая точка) и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощением теплоты - в случае нагрева.

Как и при кристаллизации из жидкой фазы, для того чтобы полиморфное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры, для возникновения разности свободных энергий между исходной и образующейся новой модификациями. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переохлаждения. Полиморфное превращение по своему механизму - кристаллизационный процесс осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста.

В результате полиморфною превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение также называют перекристаллизацией. Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических й химических свойств и т. д.

 

График кристаллизации Fe

 

Рис. 1 Схема зависимости величины свободной энергии от температуры для Fea и  Feg.

Полиморфизм для железа. Из рисунка видно, что в интервале температур 910 – 1392 °С устойчивым является g - железо с кристаллической решеткой, имеющей меньшую свободную энергию, чем  a -железо, а при температурах ниже 910°С и выше 1392 °С устойчиво  a -железо, так как его свободная энергия меньше, чем  g-железа.

2. Вычертите диаграмму состояния  сурьма-германий. 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 правила Курнакова.

Заполнить диаграмму

Рис. 2 Диаграмма состояния сплавов Sb – Ge

 

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода)

Диаграмма с эвтектическим превращением

Исходные данные: оба компонента (Sb и Ge) неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А - Sb, В - Ge (К = 2).

Фазы: жидкость Ж, твердые растворы  a (раствор Sb в Ge) и  b (раствор компонента Ge в Sb) (Ф = 3).

В этой системе не образуются фазы, представляющие чистые компоненты. Из жидкости выделяются только α, β. Около вертикалей А, В, соответствующих чистым компонентам, находятся области существования твердых растворов α, β.

Предельная растворимость α-раствора линия DF. Эти линии называются сольвус.

Точка Е является результатом пересечения двух линий ликвидус АЕ, ВЕ, поэтому в т. Е жидкость насыщена фазами α, β. При малейшем переохлаждении жидкость становится пересыщеной α и β и начинает их выделять.

Точка Е – эвтектика, сплав – эвтектический, линия DEC – эвтектическая линия, процесс кристаллизации – эвтектический, структура – эвтектическая.

Рассмотрим кристаллизацию сплава I, которая начинается в точке 1, заканчивается затвердевание в точке 2. От точки 2 до точки 3 изменений в структуре нет. В точке 3 начинается вторичная кристаллизация b→ aII, это продолжается до комнатной температуры.

Вторичными кристаллами называется фаза aII, которая выделяется из пересыщенного раствора b, состав которого изменяется по линии CG. При понижении температуры количество aII возрастает. Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией. Сплав II называется заэвтектическим.

Сплавы, которые располагаются леве эвтектической точки Е в интервале концентраций ЕС, называются доэвтектическими. Они кристаллизуются в два этапа. На первом этапе из жидкой фазы выделяются кристаллы a, на втором этапе на линии DEC остаток жидкости распадается по эвтектической схеме L → α + β. Конечная структура a+ эвт. (α + β).

Как  показал  Н.С.  Курнаков,  между  составом  и структурой  сплава,  определяемой  диаграммой  состояния  и свойствами  сплава,  существует  определенная  зависимость (рис.3).

 

 

Рис. 3 Связь между диаграммой состояния (структурой)  и свойствами сплавов.

В  сплавах  с  ограниченной  растворимостью  свойства при  концентрациях,  отвечающих  однофазному  твердому раствору,  изменяются  по  криволинейной  зависимости (рис. 3). В области механической смеси свойства изменяются по прямой,  т.е.  представляют  собой  среднее  из  свойств  фаз, образующих смесь. Так, если одна фаза мягкая и пластичная, а  другая  твердая  и  хрупкая,  то  сплав  тем  тверже  и  хрупче, чем больше в нем второй фазы.

 

 

4. Вычертите диаграмму состояния  железо-карбид железа. Укажите структурные  составляющие во всех областях  диаграммы, опишите превращения  и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1, 2% С. Для заданного сплава при температуре 1250°С определите: состав фаз, т. е. процентное содержание компонентов в фазах; количественное соотношение фаз.  Нет ответа

 

Рис. 5 Диаграмма состояния сплавов Fe – Fe3C.

 

Диаграмма состояния системы Fe- Fe3C. Компонентами системы  являются:

• железо; температура плавления 1539 °С (точка А диаграммы), температура полиморфного превращения 911 °С (точка G);

• цементит; температура плавления 1560°С (точка D диаграммы).

Цементит - химическое соединение железа с углеродом. Стсхиомстрнчсская формула цементита – Fe3C (карбид железа), и он содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку, расплавляется при температуре 1600 °С, обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. По условиям образования различают: первичный Ц1 (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный Ц2 (выделяется из аустснита в виде сетки по границам зерен), третичный Ц3 (выделяется из графита в виде мелких зерен).

Помимо химического соединения цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси, которые являются фазовыми и структурными составляющими.

Твердые растворы.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в  a -железе, обозначается Fea (C). Растворимость углерода в феррите весьма низкая - около 0,006 % при 20 °С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения 0,02% при 727 °С (точка Р диаграммы). Кристаллическая решетка феррита - ОЦК. Феррит - твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки  a-железа. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80... 100 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в  g-железе. обозначается Feg(C). Аустенит существует только при высоких температурах - 727 °С и выше. Растворимость углерода в аустените высокая - 0,8% при минимальной температуре его существования 727 °С (точка 5 диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (так же, как в феррите) и достигает максимального значения 2,14% при температуре 1147°С (точка Е диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита - ГЦК. Аустенит - твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен, его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности. Твердость аустенита около 200 НВ.

Цементит, феррит и аустенит являются однофазными структурными составляющими.

Смеси.

При температуре 1 147 °С в сплавах с содержанием углерода 2,14% и более из жидкого состояния образуется эвтектика. Эвтектическое превращение происходит при постоянной температуре. При эвтектическом превращении одновременно существуют три фазы: жидкая и две твердые.

Эвтектика в системе Fe- Fe3C называется ледебуритом (Л), который представляет собой смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3 % С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой  .  Цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения: его содержание в аустените, равное 2,14%, соответствует точке F диаграммы; содержание углерода в цементите 6,67 % -точке F. Конода при температуре 1 147 °С совпадает с линией диаграммы ECF. Ледебурит имеет высокую твердость (550 HV), очень хрупок.

При температуре 727 °С в сплавах с содержанием углерода 0,02 % и более аустенит превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Таким образом, в превращении одновременно участвуют три фазы, т.е. оно происходит при постоянной температуре. Такое превращение из твердого раствора получило название эвтектоидного в отличие от эвтектического, где исходная фаза - жидкость. Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид.

В системе Fe- Fe3C эвтектоид называется перлитом (П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой:  . Содержание углерода в феррите соответствует точке Р, в цементите -точке К диаграммы.

Нагрев.

Рис.6 Кривая нагрева сплава с содержанием С = 1,2%.

 

Сталь в исходном состоянии имеет следующую структуру: перлит + вторичный цементит. При нагревании стали до температур ниже 723° она не будет претерпевать превращений в своем строении, т. е. указанные выше структуры сохранятся. При температуре 723° произойдет превращение перлита в аустенит. Образование аустенита сопровождается двумя процессами - перестройкой кристаллической решетки Fea  в Feg  и растворением цементита в образовавшемся Feg. В стали, кроме перлита, содержится цементит, то он будет растворяться в аустените при нагреве до линии ES, т. е. до критической температуры Аст. Образовавшийся аустенит не однороден по своему составу, так как процесс диффузии углерода в аустените не завершается при переходе через критические температуры А3 и Аст. Чтобы получить однородный по составу аустенит, необходимо либо повысить температуру нагрева, либо увеличить выдержку при заданной температуре. При дальнейшем нагреве стали наблюдается рост зерен аустенита. Этот процесс протекает неодинаково у различных сталей. У некоторых из них даже значительный нагрев выше критических температур не приводит к заметному росту зерен аустенита, у других же зерно аустенита заметно растет и при незначительном нагреве стали выше критических температур. При нагреве выше линии EJ до BС – часть аустените переходит в жидкое состояние получаем жидкий сплав и аустенит. Свыше линии BC – жидкий сплав.

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. С = k-f+1 (при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении),где f- число фаз; k – число компонентов.

Для заданного сплава при температуре 1250°С определите: состав фаз, т. е. процентное содержание компонентов в фазах; количественное соотношение фаз. Сплав с содержанием углерода 1,2% при температуре 12500С имеет одно фазную структуру – аустенит, значит определить процентное содержание компонентов в фазах невозможно.