Термодинамика и термокинетика структурообразования в чугунах и сталях. Изд. 2-е, перераб. и доп. (Монография издана при поддержке РФФИ) / Сильман Г.И.. – М.: Машиностроение, 2007. – 280 с.
В монографии кратко изложены основные понятия и некоторые правила термодинамики сплавов, включая общие вопросы, ранее изученные недостаточно. В частности, сформулированы несколько правил химической термодинамики, определены условия соблюдения закона межфазного распределения элементов (закона Нернста), выведены уравнения температурной и концентрационной зависимостей коэффициентов межфазного распределения элементов. Значительное внимание уделено изложению, развитию и использованию метода Хиллерта. На его основе разработаны некоторые новые положения геометрической термодинамики и способ расчета разрезов диаграмм состояния тройных и более сложных систем. С использованием методов термодинамического и термокинетического анализов выполнен ряд металловедческих разработок для сложных систем на основе железа. Результатами этих разработок являются некоторые малоизвестные явления и эффекты, новые структурные составляющие, механизмы и условия их формирования.
Предназначена для материаловедов и металлургов и может быть использована студентами вузов соответствующих специальностей.
Ил. 118. Табл.28. Библиографический список: 248 назв.
Некоторые правила термодинамики и термокинетики сплавов,
структурные эффекты и их объяснения, приведенные в монографии
1. Правило отклонения реальных растворов от законов Генри и Рауля:
Если разбавленный раствор не является идеальным, то с увеличением в нем содержания растворенного компонента концентрационные зависимости термодинамических активностей растворенного компонента и компонента-растворителя отклоняются соответственно от законов Генри и Рауля, причем по знаку эти отклонения противоположны.
2. Правило смещения фазового равновесия:
Если в равновесии находятся фазы, являющиеся растворами на основе одного компонента, то растворяющийся компонент повышает устойчивость той фазы, в которой он преимущественно растворяется.
3. Интерпретация предельных диаграмм состояния (имеющих разделяющие элементы с вырожденными измерениями):
Изображение предельных диаграмм может быть принято в качестве условного приема с учетом масштабного фактора. Оно допустимо при рассмотрении фазовых областей, стыкующихся с предельными участками таких диаграмм. Однако при анализе самих этих участков необходимо восстанавливать их нормальный вид путем масштабирования.
4. Геометрическая интерпретация изменения термодинамической активности компонентов тройной системы при изменении состава сплава:
Если на изотермическом разрезе диаграммы состояния тройной системы продлить коноду из двухфазной области до пересечения со сторонами концентрационного треугольника и линиями, параллельными этим сторонам, то на этих линиях отсекаются отрезки, дающие решения уравнения Хиллерта для всех компонентов системы и представляющие собой в логарифмическом виде изменения термодинамических активностей компонентов при переходе к тройному сплаву от исходных двойных сплавов. При этом отрезки, отсекаемые на сторонах треугольника, характеризуют активности компонентов при изменении состава сплава вдоль линии изоконцентрации третьего компонента (несобственной линии изоконцентации), а отрезки, отсекаемые на линиях, параллельных сторонам треугольника, – вдоль собственных линий изоконцентрации компонентов.
5. Правило знаков (дополнение к геометрической интерпретации):
Если отсекаемые продолжением коноды отрезки располагаются выше оси абсцисс (т.е. линии, соответствующей исходной двойной системе),то активность рассматриваемого компонента при легировании сплава третьим компонентом уменьшается, если же отсекаемые отрезки расположены ниже оси абсцисс (т.е. выходят за пределы диаграммы), то активность соответствующего компонента увеличивается.
6. Правило оценки углеродных эквивалентов легирующих элементов:
Углеродные эквиваленты легирующих элементов в равновесных Fe-C-сплавах являются термодинамическими параметрами и зависят от химического состава сплавов. Они могут быть рассчитаны по выведенным зависимостям или определены с использованием геометрической интерпретации этих зависимостей. Углеродные эквиваленты элементов в чугунах зависят от содержания углерода: с увеличением содержания углерода в доэвтектическом чугуне их численные значения возрастают для элементов-графитизаторов и уменьшаются для антиграфитизаторов.
7. Правило перемещения конодных треугольников в зависимости от температуры на диаграммах состояния тройных систем:
Если треугольник является эвтектическим или эвтектоидным, то с повышением температуры он перемещается по тальвегу в сторону раскрытия угла при вершине, соответствующей составу эвтектики (эвтектоида). Если же треугольник имеет перитектический (перитектоидный) характер, то повышение температуры вызывает его перемещение в сторону, противоположную направлению раскрытия центрального угла. Это правило справедливо при рассмотрении перемещения треугольника относительно любой координатной оси.
8. Условия соблюдения закона распределения (закона Нернста):
Закон распределения Нернста соблюдается только в следующих случаях: если оба раствора являются идеальными, если растворенный компонент в обеих фазах подчиняется закону Генри, если коэффициенты активности компонента в обеих фазах изменяются пропорционально. Во всех остальных случаях коэффициент распределения является концентрационно зависящей величиной..
9. Правило, определяющее концентрационную зависимость коэффициента распределения:
Если обе фазы в двухфазном сплаве являются растворами на основе одного компонента с отрицательным отклонением от идеальности, то с увеличением содержания в сплаве растворенного компонента коэффициент его межфазного распределения изменяется, приближаясь к 1. Если же обе фазы являются растворами с положительным отклонением от идеальности, то зависимость коэффициентов распределения имеет обратный характер.
10. Условие отклонения от правила химического соответствия (правила Уманского):
Метастабильные фазы, состав которых расположен за пределами интервала составов равновесных фаз, могут образовываться только в случае резкого снижения энергии активации процесса, например, при замене фольмеровского механизма спинодальным.
11. Реализация правила ступеней Оствальда при формировании структуры в неравновесных условиях:
Условия неравновесного структурообразования всегда определяются энергетической выгодностью конкурирующих процессов. Ступенчатые превращения характерны для систем с промежуточными фазами при затрудненной активации прямых (бесступенчатых ) превращений. Многостадийные процессы отличаются от одностадийных меньшей энергоемкостью, их энергетические схемы располагаются внутри барьера одностадийного превращения. Эти процессы являются дискретными и в значительной мере самовозбуждающимися.
12. Особенности структурообразования в графитизированных чугунах в условиях кристаллизации при больших переохлаждениях:
Серые и высокопрочные доэвтектические и эвтектические чугуны при кристаллизации в условиях больших переохлаждений ведут себя как заэвтектические белые чугуны. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий, которые кинетически не равнозначны. На первой стадии кристаллизуется цементит, который ведет дальнейший квазиэвтектический распад жидкости. Чем сильнее переохлаждение, тем значительнее разделение обеих стадий во времени.
13. Влияние переохлаждения на кристаллизацию хромованадиевых белых чугунов:
При больших переохлаждениях в хромованадиевых белых чугунах может меняться характер избыточной фазы: в доэвтектических чугунах первичный аустенит сменяется карбидом VС, в заэвтектических чугунах кристаллизация избыточного карбида ванадия VC сменяется образованием двойной карбидной эвтектики VC+(Cr,Fe,V)7С3 или избыточного карбида (Cr,Fe,V)7С3.
14.Явление метастабильной графитизации:
Эффект метастабильной графитизации заключается в появлении метастабильного графита на промежуточной стадии отжига белого чугуна или высокоуглеродистой стали, которые по своему химическому составу относятся к неграфитизирующимся сплавам. Он может быть обеспечен сочетанием определенного химического состава сплавов с резко ускоренным охлаждением отливок при их кристаллизации. Высокотемпературный отжиг таких отливок состоит из двух стадий фазовых превращений: частичной графитизации цементита (I стадия) и последующей карбидизации образовавшегося метастабильного графита (II стадия). Возможность метастабильной графитизации сплавов обусловлена резким различием в диффузионной подвижности атомов составляющих их компонентов (углерода и карбидообразующих металлов). На первой стадии отжига цементит частично графитизируется путем диффузии углерода (быстро протекающий процесс). На второй стадии происходит карбидизация графита путем диффузии атомов металлов (медленно протекающий процесс). Сплавы с метастабильным графитом обладают особым сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств.
15. Объяснение обратного отбела в чугунных отливках:
Обратный отбел объясняется различными кинетическими условиями кристаллизации чугуна в поверхностных и внутренних зонах отливки. В поверхностной зоне ускоренный теплоотвод приводит к замедлению перераспределения элементов, в результате чего цементит кристаллизуется обедненным карбидообразующими элементами (по сравнению с равновесным составом). Такой поверхностный отбел может сниматься в процессе самоотжига отливок при их охлаждении в литейной форме путем быстро протекающего процесса диффузии углерода. Для внутренних зон характерны обратные условия: замедленный теплоотвод, более интенсивное перераспределение элементов с более высоким легированием цементита карбидообразующими элементами. Графитизация такого цементита при повышенном содержании в чугуне карбидообразующих элементов (хрома, марганца и др.) возможна только путем медленно протекающего процесса диффузии легирующих элементов и поэтому требует длительного высокотемпературного отжига.
16. Особенности промежуточного превращения в чугунах со стабильно графитизированной структурой:
Промежуточное превращение в чугунах со стабильно графитизирован-ной структурой имеет две отличительные особенности:
- образование структуры неполного превращения, состоящей из мезоферрита и участков аустенита, причем в зависимости от стабильности графитизированной структуры этот процесс может быть ограничен определенными температурно-временными условиями (при недостаточно высокой стабильности) или протекать почти во всем температурном интервале промежуточного превращения (в чугунах со стабильно графитизированной структурой);
- высокая склонность к ферритизации структуры путем образования обычного феррита или частично диффузионного g>a- превращения при температурах 500-400оС, что обусловлено высоким содержанием кремния в графитизированных чугунах.
17. Образование зернистого бейнита в структуре стали 20Г;
В структуре нормализованной стали типа 20Г могут появляться участки зернистого бейнита, представляющие собой ферритные зерна с расположеными внутри них микрозонами остаточного аустенита в количестве 10…15%, обеспечивающими дисперсионное или композиционное упрочнение стали. Особенно значительным упрочнение может быть в случае мартенситного превращения аустенита. При оптимальном химическом составе стали 20Г эффект упрочнения не сопровождается снижением пластичности и ударной вязкости стали. Однако при избыточном содержании марганца возможно образование межзеренных аустенитных оторочек, претерпевающих промежуточный или мартенситный распад, что приводит к значительному охрупчиванию стали.
Система железо–углерод / Сильман Г.И. – Брянск: Изд-во Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА). – 2007. – 84 с.
В монографии изложены основные сведения о системе железо–углерод. Приведена краткая историческая справка. Рассмотрены особенности компонентов системы (железа и углерода), их структурные модификации (включая недавно открытые фуллерены, фуллериты и углеродные нанотрубки). приведено описание всех известных фаз системы, формирующихся в разных условиях (в том числе гексагональной e-фазы, нескольких карбидных фаз, алмаза). Приведены диаграммы состояния метастабильной и стабильной систем в их современном виде, классификация сплавов обеих систем и характерные особенности их структур, проведен анализ диаграмм с построением кривых охлаждения, правил фаз и отрезков. По известным литературным данным рассмотрено влияние давления на диаграмму состояния и фазовый состав сплавов. Проведен анализ изменений и коррективов, внесенных в систему по представлениям А.А. Жукова.
В последних разделах монографии изложены результаты собственных исследований автора. С использованием термодинамических расчетов проведена увязка всех фазовых областей обеих диаграмм состояния (стабильной и метастабильной), оценена стабильность растворов и показана возможность расслоения некоторых из них, уточнена диаграмма состояния метастабильной системы железо–карбиды с продлением этой диаграммы в зацементитную область и анализом фазовых областей с карбидом Fe7C3. С использованием метода термокинетического анализа рассмотрены возможные карбидные и карбидно-графитные превращения в системе с участием карбида Fe7C3.
Предназначена для материаловедов и металлургов и может быть использована студентами вузов соответствующих специальностей..
Ил. 38. Табл. 7. Библиографический список: 94 назв.
Отличительные особенности построенной диаграммы сплавов Fe-C (метаста-бильное равновесие)• В системе Fe-C существует двухфазная область карбидных равновесий (цементи-та Fe3C и карбида Fe7C3).
• Область существования цементита ограничена как сверху (1258°С), так и снизу (~290°С), причем за пределами этой области более термодинамически устойчивой является другая карбидная фаза – Fe7C3 (или ?-фаза).
• При температуре 1258°С в системе Fe-C имеет место нонвариантное перитек-тическое равновесие L+???Ц, т.е. цементит плавится инконгруэнтно.
• При ~290°С существует эвтектоидное равновесие Ц ???+?, ниже этой темпера-туры обе карбидные фазы характеризуются высокой степенью метастабильности (актив-ность углерода aC >15).
• По химическому составу и термодинамическим характеристикам низ¬котемпературную модификацию карбида Fe7C3 можно идентифицировать с ?-карбидом, выделяющимся при распаде мартенсита в процессе отпуска за¬каленной стали.
 |
 |
 |
Диаграмма термодинамической активности углерода в системе Fe-C (в соответствии с приведенной диаграммой состояния): а – в координатах t-aC; б – в координатах 103/T- ln aC; в – в координатах 103/T- ln aC, но с полосой погрешностей в области Ц -e |
В словаре-справочнике приведены наиболее значимые установившиеся и новые термины и понятия по металловедению и термической обработке металлов. Каждый термин представлен краткой формулировкой. Информация по возможности приведена в иерархически классифицированном виде.
Предназначен для научных работников, инженеров-практиков, преподавателей и студентов технических высших и средних специальных заведений.
Термодинамика и термокинетика структурообразования в чугунах и сталях / Сильман Г.И.. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2004. – 328 с.
В монографии кратко изложены основные понятия и некоторые правила термодинамики сплавов, включая общие вопросы, ранее изученные недостаточно. В частности, сформулированы несколько правил химической термодинамики, определены условия соблюдения закона межфазного распределения элементов (закона Нернста), выведены уравнения температурной и концентрационной зависимостей коэффициентов межфазного распределения элементов. Значительное внимание уделено изложению, развитию и использованию метода Хиллерта. На его основе разработаны некоторые новые положения геометрической термодинамики и способ расчета разрезов диаграмм состояния тройных и более сложных систем. С использованием методов термодинамического и термокинетического анализов выполнен ряд металловедческих разработок для сложных систем на основе железа. Результатами этих разработок являются некоторые малоизвестные явления и эффекты, новые структурные составляющие, механизмы и условия их формирования.
Предназначена для материаловедов и металлургов и может быть использована студентами вузов соответствующих специальностей..
Ил. 118. Табл.28. Библиографический список: 198 назв.
О научном наследии А.А. Жукова / Сильман Г.И. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2003. – 44 с.
Приведен краткий обзор основных научных работ А.А. Жукова. Обзор разбит по нескольким направлениям: электронное строение элементов и его связь со структурообразованием в сплавах, развитие представлений о диаграмме Fe-C, развитие термодинамики сплавов, некоторые вопросы термодинамики структурообразования в сталях, развитие теории графитизации, структурные диаграммы чугуна, развитие теории и практики модифицирования чугуна и стали, разработка новых технологий, разработка новых чугунов, выявление и исследование новых фаз и структурных составляющих в чугунах и сталях. Однако этими направлениями не исчерпывается все многообразие научных разработок Жукова, опубликованных более чем в 700 работах. За пределами обзора остались некоторые разработанные им или с его участием технологические процессы поверхностной обработки стальных изделий, получения отливок из ковкого чугуна, результаты исследования конкретных многокомпонентных систем (Fe-C-Si, Fe-C-Al, Fe-C-S, Fe-C-P, Fe-C-Cr, Fe-C-Cr-Si и др.), некоторые новые экспериментальные методы и приборы, созданные в процессе проведения исследований. Автор надеется, что этот недостаток обзора будет в дальнейшем компенсирован многочисленными публикациями учеников и последователей Жукова.
Ил. 17. Библиографический список: 43 назв
 |
 |
|
Диаграмма Fe-C (стабильная и метастабильная) с нанесенными линиями изоактивности углерода (по А.А. Жукову) |
Номограмма А.А. Жукова для расчета состава, структуры и прочности серого чугуна |
Система Fe-C-Cr и переход от нее к системам Fe-C и Fe-C-Cr-Si. Термодинамический и термокинетический анализ. Расчет, построение и использование диаграмм / Сильман Г.И. – Брянск: Изд-во БГИТА, 1999. – 144 с.
В монографии изложены методика и результаты термодинамического анализа систем Fe-C, Fe-C-Cr и Fe-C-Cr-Si с расчетом и построением разрезов и проекций диаграммы состояния Fe-C-Cr, полиэдрацией диаграмм Fe-C-Cr и Fe-C-Cr-Si, расчетом и построением диаграмм термодинамической активности углерода в рассмотренных системах, уточнением диаграммы метастабильных равновесий в системе Fe-C с расширением ее до карбида FerC3. Проведен анализ построенных и уточненных диаграмм; показана возможность их использования с целью корректировки химических составов известных видов хромистых сталей и чугунов, а также разработки новых сплавов и технологических процессов их получения, способов изготовления из них изделий и их упрочняющей обработки. В качестве примеров рассмотрены некоторые новые сплавы с особенностями их структуры и свойств. На основе результатов термокинетического анализа показана также возможность выявления и использования новых физико-химических эффектов структурообразования в сплавах рассмотренных систем.
Книга предназначена для широкого круга материаловедов и металлургов и может быть использована студентами вузов соответствующих специальностей.
Ил. 53. Табл.15. Библиографический список: 80 назв.
Схема моно- и нонвариантных равновесий в системе Fe-C-Cr
Качество машин: Справочник. В 2 т. Под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 1995.
Свойства материалов / Сильман Г.И.. – Т. 1. – С.9-24.
Качество машиностроительных материалов / Сильман Г.И.. – Т. 2. – С.4-46.
Чугун: Справочник / Под общ. ред. А.А. Шермана и А.А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 576 с.
Износостойкие белые и половинчатые чугуны с композиционным упрочнением / Сильман Г.И. – С.414-445.
Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов / Жуков А.А., Сильман Г.И., Фрольцов М.С. – М.: Машиностроение, 1984. – 104 с.
Рассмотрена взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами легированных белых чугунов. Дана классификация белых чугунов по их соответствию принципу композиционного упрочнения. Для каждой группы чугунов приведены рекомендуемые составы, структура, свойства, технологические процессы получения чугуна и отливок. Указаны режимы термической и механической обработки отливок, а также области их применения.
Предназначена для инженерно-технических работников литейного производства. Может быть полезна конструкторам и технологам, занимающимся проектированием и изготовлением машин и оборудования, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа и при повышенных нагрузках.
Ил. 92. Табл.16. Библиографический список: 96 назв.
Отливки из износостойких белых чугунов / Сильман Г.И., Фрольцов М.С. – М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. – 44 с.
Приведены рекомендуемые химические составы, структура, свойства, технологические процессы получения чугуна и отливок. Указаны режимы термической и механической обработки отливок, а также области их применения. Приведены примеры использования износостойких белых чугунов.
Справочник по чугунному литью / Под общ. ред. Н.Г. Гиршовича. Л.: Машиностроение, 1978. – 758 с.
Диаграммы состояния Fe-C-сплавов / Жуков А.А., Сильман Г.И. – С. 7-18.
Ванадиевые и некоторые другие легированные чугуны, отвечающие принципу Шарпи / Жуков А.А., Сильман Г.И. – С.127-131.
Характеристики элементов, встречающихся в чугуне / Жуков А.А., Сильман Г.И. – С. 696.
