1.Опишите виды твердых растворов. Приведите примеры.

Твердыми  растворами называют фазы, в которых  один из компонентов сплава сохраняет  свою кристаллическую решетку, а  атомы других (или другого) компонентов  располагаются в решетке первого  компонента (растворителя), изменяя  ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, со-стоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют  твердые растворы внедрения и  твердые растворы замещения. При  образовании твердых растворов  внедрения атомы растворенного  компонента B размещаются между атомами  растворителя A в его кристаллической  решетке. При образовании твердых  растворов замещения атомы растворенного  компонента B замещают часть атомов растворителя (компонент A) в его  кристаллической решетке.

Рисунок 1 – Твердые  растворы: а – замещения, б – внедрения

Поскольку размеры  растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, то образование  твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя. 
   
Рисунок 2 – Искажения кристаллической решетки в твердых растворах замещения:

а – атом растворенного  компонента больше атома растворителя 
б – атом растворенного компонента меньше атома растворителя

Твердые растворы замещения могут быть с  ограниченной и неограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного  компонента возможна до определенных пределов.

В твердых  растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного  компонента (от 0 до 100 %). Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: 1) у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки; 2) различие в атомных радиусах компонентов  не должно превышать для сплавов  на основе железа 9%, а для сплавов  на основе меди 15%; 3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств. Однако соблюдение этих свойств  не всегда приводит к образованию  твердых растворов замещения  с неограниченной растворимостью. На практике, как правило, образуются твердые  растворы с ограниченной растворимостью.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку  число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью на основе компонентов: Ag и Au, Ni и Cu, Mo и W, V и Ti, и т.д.

Твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью на основе компонентов: Al и Cu, Cu и Zn, и т.д.

Твердые растворы внедрения: при растворении  в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.

2.Вычертите  диаграмму состояния  железо – карбид  железа, укажите структурные  составляющие во  всех областях  диаграммы, опишите  превращения и  постройте кривую  охлаждения (с применением  правила фаз) для  сплава, содержащего 2,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы  железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается  при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого  раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при  охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита  и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости  углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который  называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и  имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

 
                                                            а)                                                                            б)

Рисунок 4: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,2% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость  между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и  выражается уравнением:

C = K + 1 –  Ф,

где С – число степеней свободы системы; 

      К – число компонентов, образующих систему;  

     1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); 

      Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,2% С, называется доэвтектический чугун. Его структура при комнатной температуре – Перлит + Цементит + Ледебурит. 
 

3.Назначьте  температуру закалки,  охлаждающую среду  и температуру  отпуска  
деталей машин из стали 40Х, которые должны иметь твердость 28... 35 НRС.  
Опишите сущность происходящих превращений при термической обработ-  
ке, микроструктуру и свойства. 

Температура закалки  смотрится по диаграмме железо-углерод, и равна темперетуре по критичной линии GSK + 40 C.  
Время закалки определяется по формуле (в зависимости от сечения)  
Закалка (олива)+ низкий отпуск (дабы снять вн. напряжения, выровнять структуру и так далее и так далее и получить желаемую твердость)  
Температура низкого отпуска 200-250 С  
 
1) Среда -масло ( хотя можно и вода , но для более высокой твёрдости или при необходимости)  
2) Отпуск высокий ( 500 - 520 ) - при низком твёрдость будет HRC 40-42