Pobierz Układy równowagi - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity!
Rys.3.9. Wykres równowagi z faz mi!dzymetaliczn krystalizuj c z fazy ciek"ej: a) faza mi!dzymetaliczna o sta"ym sk"adzie stechiometrycznym, b) faza mi!dzymetaliczna w postaci wtórnego roztworu sta"ego
Istniej uk"ady dwusk"adnikowe, w których wyst!puj dwie (lub wi!cej) faz; mi!dzymetaliczne. Je#li wszystkie te fazy tworz si! bezpo#rednio z fazy ciek"ej dziel one wykres na trzy, cztery lub wi!cej cz!#ci, z których ka$da mo$e by% rozpatrywana samodzielnie (rys. 3.10).
Rys. 3.10. Wykres równowagi z dwoma fazami mi!dzymetalicznymi krystalizuj cymi z fazy ciek"ej
Je#li faza mi!dzymetaliczna krystalizuje poni$ej temperatury pocz tku krzepni!cia stopu, to powstaje ona zwykle w wyniku reakcji perytektycznej. Wykres równowagi typu V odpowiadaj cy temu przypadkowi, mo$e mie% ró$n posta% w zale$no#ci od wzajemnego
oddzia"ywania sk"adników stopu. Na rys. 3.ll a pokazano wykres równowagi dwóch sk"adników nie rozpuszczaj cych si! wzajemnie w stanie sta"ym, a na rys. 3.1I b - wykres równowagi dwóch sk"adników tworz cych roztwory graniczne. W pierwszym przypadku faza mi!dzymetaliczna powstaje w wyniku reakcji perytektycznej zgodnie ze wzorem L D +B! A n B m , gdzie: L D - ciecz o sk"adzie punktu D. W drugim przypadku reakcja perytektyczna zachodzi wg wzoru L D + "F! A n B m gdzie: L D - ciecz o sk"adzie punktu D, "F — roztwór sta"y A w B o sk"adzie punktu F
Rys. 3.11. Wykresy równowagi z faz mi!dzymetaliczn powstaj c w wyniku reakcji perytektycznej: a) przy braku wzajemnej rozpuszczalno#ci sk"adników w stanie sta"ym, b) przy ograniczonej rozpuszczalno#ci sk"adników w stanie sta"ym
Podobnie jak w przypadku wykresów równowagi typu IV, równie$ na wykresach równowagi typu V faza mi!dzymetaliczna mo$e wyst!powa% w postaci roztworu wtórnego (rys. 3.12).
Rys. 3.12. Wykres równowagi z faz mi!dzymetaliczn w postaci wtórnego roztworu sta"ego , powstaj c w wyniku reakcji perytektycznej
Omówione dotychczas podstawowe wykresy równowagi dotyczy"y uk"adów dwusk"adnikowych, w których nie wyst!powa"y $adne przemiany w stanie sta"ym. W rzeczywistych uk"adach przemiany takie wyst!puj jednak do#% cz!sto i s zwi zane z tworzeniem si! fazy mi!dzymetalicznej z innej fazy sta"ej, b d& z przemianami alotropowymi jednego lub obu sk"adników stopu.
Rys. 3.14. Wykres równowagi z przemian Rys. 3.15. Wykres równowagi z przemian alotrotropow sk"adnika A (odmiana A# i alotropow sk"adnika A (odmiana A " i sk"adnik B s izomorficzne) sk"adnik B s s izomorficzne
4. Przyjmuj c, $e sk"adnik A ma dwie odmiany alotropowe A # i A ", a sk"adnik B dwie odmiany alotropowe B # i B " oraz $e odmiany A # i B " s izomorficzne, a odmiany A # i tworz roztwory sta"e graniczne, otrzymuje si! wykres równowagi przedstawiony na rys. 3.17. W tym przypadku, bezpo#rednio po skrzepni!ciu wszystkie stopy maj równie$ struktur! ", ale w temperaturze otoczenia ich struktura, zale$nie od sk"adu chemicznego, sk"ada si! b d& z kryszta"ów roztworu sta"e-# 1 sk"adnika B # w A #, b d& z kryszta"ów roztworu sta"ego # 2 sk"adnika A # w B #, b d& z dwufazowej mieszaniny tych kryszta"ów. Temperatury pocz tku przemiany alotropowej wyznacza linia RES, temperatury ko'ca tej przemiany - linia RMENS. W temperaturze wyznaczonej lini MEN zachodzi rozk"ad roztworu sta"ego " o sk"adzie punktu E na dwa roztwory sta"e graniczne # 1 i # 2 , tworz ce mieszanin! zwan eutektoidem:
" E !# 1 + # 2 Reakcja tego rozk"adu nazywa si! reakcj eutektoidaln , sta"a temperatura t E, w której zachodzi - temperatur eutektoidaln , a stop o sk"adzie e - stopem eutektoidalnym. Wszystkie stopy o sk"adzie od A do e nazywaj si! stopami podeutektoidalnymi, a stopy o sk"adzie od e do B stopami nadeutektoidalnymi
Rys. 3.16. Wykres równowagi z przemian alotropow obu sk"adników (odmiana A # i B # oraz A " i B " s izomorficzne) Z powy$szego wynika, $e stopy podeutektoidalne o sk"adzie od A do m i nadeutektoidalne o sk"adzie od n do B nie podlegaj reakcji eutektoidalnej, a roztwory # 1 i # 2 tworz si!
bezpo#rednio z fazy " w odpowiednim zakresie temperatury. W stopach o sk"adzie od m do e z fazy " wydzielaj si! najpierw kryszta"y faz # 1 , bogatej w sk"adnik A (o sk"adzie okre#lonym lini RM ), dzi!ki czemu faza " wzbogaca si! w sk"adnik B do momentu, gdy osi gnie sk"ad punktu E. Wtedy reszta fazy " ulega eutektoidalnemu rozk"adowi na mieszanin! bardzo drobnych kryszta"ów # 1 i # 2. Podobnie w stopach od e do n, z fazy " wydzielaj si! najpierw kryszta"y fazy # 2 , bogatej w sk"adnik B (o sk"adzie okre#lonym lini SN) dzi!ki czemu faza " ubo$eje w sk"adnik B do momentu, gdy osi gnie sk"ad punktu E i ulegnie eutektoidalnemu rozk"adowi. Zawarto#% eutektoidu w stopie zmienia si! liniowo, od 0 dla stopów o sk"adzie m i n do 100% dla stopu eutektoidalnego. Przedstawiony na rys. 3.17 wykres równowagi dotyczy przypadku sta"ej rozpuszczalno#ci A # w B # i odwrotnie. W rzeczywisto#ci zwykle rozpuszczalno#% ta zmienia si! z temperatur i wtedy wykres równowagi przybiera posta% pokazan na rys. 3.18.
Rys. 3.17. Wykres równowagi z przemian alotropow obu sk"adników (odmiany A " i B " s izomorficzne, a odmiany A # i B # tworz roztwory sta"e graniczne o niezmiennej rozpuszczalno#ci)
Na wykresie tym podano równie$ schematy struktur stopów podeutektoidalnych, eutektoidalnego i nadeutektoidalnych. Spotykane w praktyce wykresy równowagi uk"adów dwusk"adnikowych rzadko odpowiadaj omówionym typowym uk"adom prostym, z regu"y b!d c kombinacj dwóch lub wi!cej typów uk"adów. Sk"ad procentowy stopów na wykresach równowagi wyra$a si! zwykle w procentach wagowych, co w przypadku stopów technicznych jest korzystniejsze. Niekiedy jednak, zw"aszcza w badaniach strukturalnych, wygodniej jest przedstawi% uk"ad chemiczny stopów w procentach atomowych. Zale$no#% mi!dzy procentami wagowymi a procentami atomowymi okre#laj wzory:
1 1 2 2
1 1 (^1) a G a G
a G C % & %
gdzie: rc — ilo#% fazy ciek"ej, rs - ilo#% fazy sta"ej, r = rc + rs — ogólna ilo#% stopu, ab, bc i ac — odcinki wyznaczone przez lini! ty o raz likwidus i solidus
Rys. 3.19. Przyk"ad zastosowania regu"y d&wigni w przypadku uk"adu równowagi o nieograniczonej rozpuszczalno#ci w stanie sta"ym
3. 5. Budowa stopów potrójnych
Budowa stopów potrójnych jest znacznie bardziej skomplikowana ni$ stopów podwójnych i aby graficznie przedstawi% zale$no#% struktury od sk"adu chemicznego i temperatury, trzeba operowa% modelem przestrzennym albo jego rzutami na p"aszczyzn! podstawy. Podstaw! tego modelu stanowi trójk t równoboczny, zwany trójk tem Gibbsa, którego wierzcho"ki przedstawiaj czyste sk"adniki uk"adu potrójnego A, B i C, boki odpowiadaj sk"adom stopów uk"adów podwójnych A-B, B-C i C-A, a punkty wewn trz trójk ta reprezentuj sk"ady stopów uk"adu potrójnego A-B-C (rys. 3.20). Na osiach prostopad"ych do podstawy oznaczona jest temperatura. Aby okre#li% sk"ad dowolnego punktu N podstawy, przeprowadza si! z niego równoleg"e do dwóch boków trójk ta a$ do przeci!cia z trzecim; wówczas odcinek CD odpowiada procentowej zawarto#ci sk"adnika B, odcinek DF — sk"adnika A i odcinek FB - sk"adnika C. Na rysunku 3.20b punkt N przedstawia stop trzysk"adnikowy o sk"adzie: 50% A, 25% B i 25% C. W uk"adach potrójnych, zamiast linii likwidusu i solidusu, wyst!puj powierzchnie likwidusu i solidusu, a zamiast poziomej linii eutektycznej — p"aszczyzna eutektyczna odpowiadaj ca potrójnej eutektyce, której temperatura topnienia jest ni$sza od ka$dej z trzech eutektyk dwusk"adnikowych. Poniewa$ sk"adniki uk"adów potrójnych mog parami tworzy% rozmaite przypadki, ilo#% mo$liwych typów uk"adów jest bardzo du$a. Wynika st d, $e przestrzenne wykresy równowagi uk"adów trzysk"adnikowych s niezbyt przejrzyste i st d niewygodne w praktycznym stosowaniu. Dlatego zwykle wykorzystuje si! ró$ne ich rzuty na p"aszczyzn! trójk ta Gibbsa. Najcz!#ciej stosowany jest tzw. p"aski wykres równowagi, powstaj cy przez przeci!cie wykresu przestrzennego p"aszczyznami izotermicznymi (równoleg"ymi do podstawy, odleg"ymi od siebie o sta" liczb! stopni Celsjusza, np. 25 lub 50) i zrzutowanie otrzymanych izoterm na powierzchni! likwidusu i solidusu, jak równie$ ewentualnych krzywych i punktów eutektycznych, perytektycznych itp., na p"aszczyzn! trójk ta Gibbsa. Dla wi!kszej przejrzysto#ci wykresu najcz!#ciej zaznacza si! na nim tylko izotermy likwidusu. Przyk"adowy p"aski wykres równowagi trzysk"adnikowy z zaznaczonymi izotermami likwidusu oraz rzutami eutetyki przedstawiono na rys. 3.20c. Trzeba jednak podkre#li%, $e p"askie wykresy trzysk"adnikowe podaj tylko warunki zmiany stanu skupienia, tj. warunki topnienia i krzepni!cia stopów, nie odtwarzaj c przemian fazowych w stanie sta"ym. Oczywi#cie, stopy cztero- i wi!cej sk"adnikowe maj budow! jeszcze bardziej z"o$on.
Rys. 3.20. Wykres równowagi trzech sk"adników: a) przestrzenny, b) na p"aszczy&nie z k"adami wykresów równowagi dwusk"adnikowych, c) p"aski
3.6. Wp yw struktury na w asno"ci stopów
Jak wynika z omówionych uk"adów równowagi fazowej, struktura stopów mo$e by% jednofazowa, czyli z"o$ona z ziarn jednego rodzaju, lub mo$e stanowi% mieszanin! dwóch lub wi!cej faz (w stopach wielosk"adnikowych). W przypadku stopów o budowie jednofazowej g"ównymi czynnikami wp"ywaj cymi na ich w"asno#ci s : a) sk"ad chemiczny ziarn, b) wielko#% i kszta"t ziarn, c) budowa granic ziarn, d) rodzaj, ilo#%, wielko#%, kszta"t i rozmieszczenie zanieczyszcze'. W stopach dwu- i wielofazowych oprócz powy$szych czynników o w"asno#ciach decyduj : ( sk"ad chemiczny wspó"istniej cych faz, ( w"asno#ci tych faz, ( udzia" procentowy poszczególnych faz, ( wzajemne usytuowanie faz. Rola wymienionych czynników w kszta"towaniu poszczególnych w"asno#ci stopów jest ró$na. Na przyk"ad w"asno#ci fizyczne, a wi!c m.in. przewodno#% elektryczna i cieplna, g!sto#%, ciep"o w"a#ciwe i rozszerzalno#% cieplna, zale$ przede wszystkim od sk"adu chemicznego faz i ich w"asno#ci oraz udzia"u procentowego faz w stopie. W"asno#ci mechaniczne s funkcj nie tylko czynników charakteryzuj cych struktur!, ale równie$ wielko#% ziarn i ich kszta"tu, sposobu roz"o$enia faz itd.
chemiczne, mog te$ wype"nia% p!cherze, pory lub inne wewn!trzne wady materia"owe. W stali w temperaturze otoczenia tlen i azot rozpuszczaj si! w niewielkim stopniu, tworz natomiast liczne tlenki i azotki. Wodór w stali równie$ rozpuszcza si! w niewielkim stopniu, a jego nadmiar powoduje powstawanie p!cherzy. Gazy rozpuszczone w metalu przewa$nie podwy$szaj jego wytrzyma"o#%, a obni$aj plastyczno#%. Dla przyk"adu, atomy azotu rozpuszczonego w $elazie zwykle grupuj si! wokó" dyslokacji, tworz c tzw. atmosfery Cottrella. Atmosfery te unieruchamiaj dyslokacje, zwi!kszaj c tym samym wytrzyma"o#% metalu. Tlenki i azotki stanow tzw. wtr cenia niemetaliczne. Nazwa ta okre#la znajduj ce si! w ka$dej stali produkty reakcji fizykochemicznych, zachodz cych podczas jej wytapiania (oprócz tlenków i azotków nale$ tu siarczki i krzemiany) oraz wtr cenia materia"ów ogniotrwa"ych u$ywanych do wy"o$enia pieców stalowniczych, kadzi itp. Ilo#%, wielko#%, sk"ad chemiczny i fazowy oraz roz"o$enie wtr ce' niemetalicznych wp"ywaj na wiele w"asno#ci u$ytkowych stali, a zale$ m.in. od metody wytopu, rodzaju i ilo#ci u$ytych odtleniaczy, temperatury procesu stalowniczego, zawarto#ci siarki i fosforu w stali itd. a) b)
Rys. 3.22. Z"o$one wtr cenia niemetaliczne w stali: a) siarczkowo-tlenkowe, b) siarczko- wo-tlenkowe z wrostkami azotków, c) krzemianowe (nietrawione). Powi!ksz. 500x
Wtr cenia niemetaliczne bardzo rzadko s prostymi zwi zkami chemicznymi. Najcz!#ciej stanowi z"o$one zwi zki lub mieszaniny zwi zków prostych (rys. 3.22). Szczególnie szkodliwe s wtr cenia twarde i kruche, b!d ce z"o$onymi spinelami lub zawieraj ce du$o tlenku krzemu. Te ostatnie cz!sto maj kszta"t zbli$ony do kuli (rys. 3.23). Szkodliwo#% wtr ce' niemetalicznych wzrasta ponadto przy ich nierównomiernym rozmieszczeniu w metalu i jest tym wi!ksza, im s one wi!ksze (rys. 3.24) Równie$ wodór obecny w stali jest sk"adnikiem zdecydowanie szkodliwym. Jak wspomniano, tylko niewielkie ilo#ci wodoru rozpuszczaj si! w $elazie mi!dzyw!z"owe, reszta gromadzi si! w postaci gazowej na wszelkiego rodzaju defektach strukturalnych, takich jak granice ziarn, granice faz, dyslokacje czy skupienia wakansów, wywo"uj c porowato#%, powstawanie i rozwój p!cherzy i p!kni!%, rozwarstwianie metalu, pojawianie si! lokalnych odkszta"ce' sieci krystalicznej oraz stref metalu o zmienionym sk"adzie chemicznym, powstawanie p"atków #nie$nych itd. Wszystkie te wady materia"owe mog powstawa% zarówno w procesie wytwarzania stali i jej przetwórstwa, jak i w czasie jej eksploatacji w #rodowiskach agresywnych, zw"aszcza przy podwy$szonych ci#nieniach i temperaturach. Prowadz one do gwa"townego spadku w"asno#ci plastycznych stali, co ogólnie okre#la si! terminem krucho ci wodorowej. Jak wida% z powy$szego, krótkiego zreszt przegl du, liczba czynników strukturalnych kszta"tuj cych rzeczywiste w"asno#ci metali i stopów jest olbrzymia. Poznanie tych czynników i umiej!tne nimi kierowanie jest podstawowym warunkiem uzyskiwania optymalnych dla danego zastosowania w"asno#ci materia"ów.
Rys. 3.23. Globularne wtr cenia z"o$one (zawieraj ce g"ównie tlenek krzemu): a) widoczne na zg"adzi% metalograficznym, b), c) i d) ujawnione na prze"omie stalowej próbki udarno#ciowej (SEM - nietrawione. Powi!ksz. 500x
Rys. 3.24. Wtr cenia niemetaliczne ró$nej wielko#ci i o ró$nym roz"o$eniu: a) bardzo drobne tlenki i siarczki roz"o$one mniej wi!cej równomiernie, b) ró$nej wielko#ci tlenki i siarczki roz"o$one nierównomiernie, c) pojedyncze du$e wtr cenia siarczkowe wyd"u$one w czasie przeróbki plastycznej oraz nieliczne drobne wtr cenia niemetaliczne roz"o$one równomiernie, nie trawione). Powi!ksz. 200
