Нарисуйте фазовую диаграмму, обозначьте все фазы в соответствии с их общепринятыми обозначениями. Вариант – последний номер в коде студента.
Вариант Фазовая диаграмма Сплав
2 Fe-Ni 0…60%Ni
10%Ni
2. Нарисуйте для данного сплава исследуемой системы кривую охлаждения (сплав взять из таблицы напротив своего варианта). Опишите процесс кристаллизации сплава.
3. Нарисуйте структуру (либо данные из литературы, статей) данного сплава при комнатной температуре. Обозначьте процентное соотношение структурных частей (правило рычага). Так как процесс кристаллизации подчиняется правилу Гиббса, то указать это для данного сплава.
4. Охарактеризуйте технологические свойства сплава – способность к литью, деформируемость, обработка резанием и т.д. Подвергается ли сплав термообработке?
5. Опишите механические и физические свойства сплава.
Решение
Диаграмма состояния железо-никель приведена на рис. 1.
Система характеризуется неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и ограниченной в твердом. Оба компонента обладают полиморфизмом.
Ликвидус – линия ABCD, солидус – линия – AEFCD. Кривые ликвидус и солидус имеют минимум при температуре 1439°С и содержании 69%ат. никеля.
Температура плавления железа 1538 °С, никеля 1455°С. Железо обладает полиморфизмом:
- при температуре 1538 °С…1394 °С имеет ОЦК-решетку;
- при 1394 °С…912 °С – ГЦК-решетку;
- ниже 912 °С – снова ОЦК- решетку.
При высоких температурах система Fe-Ni характеризуется существованием непрерывного ряда твердых растворов между (γFe) и (Ni):
- (δFe) – твердый раствор никеля в высокотемпературном ОЦК-железе;
- (γFe,Ni) – твердый раствор никеля и ГЦК-железа;
- (αFe) – твердый раствор никеля в низкотемпературном ОЦК-железе;
В системе может протекать несколько структурных превращений:
- перитектическое превращение при 1511 °С: Ж ↔ (δFe) + (γFe,Ni);
- монотектоидное при 389 °С: (γFe,Ni) ↔ (αFe) + γф;
- эвтектоидное при 345 °С: γф ↔ [ (αFe) + FeNi3] эвтектоид..
При понижении температуры имеет место образование промежуточных фаз, обладающих областью гомогенности:
FeNi3;
Fe3Ni (область плохо изучена);
FeNi (область плохо изучена).
В низкотемпературной области на линии магнитного превращения существует трикритическая точка при 462 °С: ниже этой точки происходит расслоение на парамагнитную (γп) и ферромагнитную фазу (γф), что является образованием монотектоидной горизонтали при 389 °С.
Максимальная растворимость никеля в (δFe) при температуре перитектики составляет °4,2 %ат.
Рис. 1. Диаграмма состояния железо-никель
Кривая охлаждения сплава с 10% никеля приведена на рис. 2. Выше температуры точки a сплав находится в жидком состоянии (расплав). При охлаждении из жидкого состояния кривая охлаждения идет достаточно резко вниз (охлаждение идет интенсивно), по достижении температуры точки a на кривой охлаждения наблюдается перегиб и далее кривая становится более пологой.
Рис. 2. Кривая охлаждения сплава Fe-10% Ni
Природа этого перегиба на кривой охлаждения объясняется с помощью правила фаз. Связь между числами компонентов k, количеством равновесных фаз ф, температурой, давлением и вариантностью в (или числом степеней свободы) любо равновесной системы устанавливает правило фаз Гиббса:
в=k-ф+n
где n – внешние факторы равновесия, т.е. температура и давление.
Согласно этому правилу, равновесие Ж↔(γFe,Ni) при температуре a моновариантно в= k -ф+1=2-2+1=1.
При охлаждении ниже a из жидкости начинают выпадать первые кристаллы твердого раствора (γFe,Ni).
В температурном интервале a-b сплав находится в двухфазной области существования жидкости и твердого раствора (γFe,Ni). Ниже точки b заканчивается кристаллизация сплава и в интервале температур b-с существует только одна фаза (γFe,Ni).
По достижении температуры с из (γFe,Ni) начинают выделяться частицы (αFe). В интервале температур c-d сплав находится в двухфазной области.
В точке d сплав находится на линии нонвариантного монотектоидного равновесия при 389°С, поэтому на кривой охлаждения наблюдается температурная остановка:
в= k -ф+1=2-3+1=0
Следовательно, такое равновесие возможно только при постоянной температуре
.
При некотором переохлаждении ниже d происходит монотектоидное превращение (γFe,Ni) ↔ (αFe) + γф.
В температурном интервале d-e сплав находится в двухфазной области существования твердого раствора (γFe,Ni) и γф.
В точке e сплав находится на линии нонвариантного эвтектоидного равновесия при 345°С, поэтому на кривой охлаждения наблюдается температурная остановка:
в= k -ф+1=2-3+1=0
Следовательно, такое равновесие возможно только при постоянной температуре.
При некотором переохлаждении ниже e происходит эвтектоидное превращение γф ↔ [ (αFe) + FeNi3] эвтектоид.
Ниже точки e и при комнатной температуре структурный состав сплава: (αFe)+ [(αFe) + FeNi3] эвтектоид. При этом фазовый состав сплава – это твердый раствор (αFe) и фаза FeNi3. Количество фаз можно посчитать с помощью правила рычага (см. рис. 2). Области существования Fe3Ni и FeNi изучены недостаточно, поэтому расчет фазового состава сплава с 10% Ni ведется без учета существования этих фаз. При комнатной температуре проведем коноду gfh, количество фаз равно:
αFe=fhgh∙100%=68%-10%68%-0%∙100%=85.3%
FeNi3=gfgh∙100%=10%-0%68%-0%∙100%=14.7%
Зависимость свойств сплавов от их состава объясняется правилом Курнакова. В соответствии с которым, свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т.е. структуры. Диаграмма состояния характеризует взаимодействие компонентов и показывают, какая структура получается в зависимости от состава сплава. Следовательно, существует связь между свойствами и типом диаграммы состояния.
Свойства сплавов системы Fe-Ni можно предсказать, используя правило Н.С. Курнакова. В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно (рис. 3, а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 3, б). В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями (рис. 3, в). При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.
Рис. 3. Диаграмма состав-свойства для сплавов типа: а - механической смеси, б - твердого раствора, в – химического соединения; А и В компоненты сплава, АmВn - химическое соединение, Н - твердость, Е - электропроводность
По диаграммам состояния можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий. Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохую жидкотекучесть, склонны к образованию пористости и трещин). В свою очередь эвтектические сплавы имеют хорошую жидкотекучесть.
В соответствии с этим правилом, свойства сплавов системы Fe-Ni при комнатной температуре изменяются по зависимости, указанной на рис. 4.
Рис. 4. Изменение свойств сплавов системы Fe-Ni
Сплавы Fe-Ni помимо низких значений температурного коэффициента линейного расширения при некоторых концентрациях никеля, обладают еще одним свойством — малым температурным коэффициентом модуля упругости.
Во всех твердых телах, в том числе и металлах, модуль упругости при нагреве уменьшается в связи с уменьшением энергии межатомных связей.
В некоторых сплавах Fe-Ni называемых элинварными, наблюдается аномалия в изменении модуля упругости при нагреве, который либо растет, либо изменяется очень незначительно.
Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов электромеханических фильтров и пр.)
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
