Методика выполнения работы

1. Получить вариант задания. Решить задачу – рассчитать содержание углерода в сплаве.

2. Построить кривую охлаждения сплава. Программа Diag позволяет перемещать курсор по полю диаграммы «железо – цементит». В правом верхнем углу появляется схематичное изображение структурных составляющих, присутствующих в сплаве с данной концентрацией углерода при данной температуре.

3. Зарисовать структуры сплава при различных температурах.

4. Записать фазовый и структурный состав сплава по окончании охлаждения (при комнатной температуре).

Теоретическая часть

Структура железоуглеродистых сплавов. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – наиболее распространенные конструкционные материалы. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов более чем в десять раз.

Диаграмма состояния «железо – цементит» (рис. 2.1) дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Железо – переходный металл серебристого цвета с температурой плавления 1539 °С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. При температуре ниже 911 °С существует Fe_α c объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой. В интервале температур 911…1392 °C устойчивым является Fe_γ с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой. Выше 1392 °C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe_δ.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности σ_В = 250 МПа, предел текучести σ_Т = 120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение δ = 50%, относительное сужение ψ = 80%).

Железо образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения; с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,69 % углерода. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (≈1250 °С). Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую пластичность.

В решетке цементита атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой цементит называется легированным.

В системе «железо – цементит» существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых концентрациях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную 0,02% при температуре 727 °С (точка P). Углерод располагается в порах решетки железа.

При температуре выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит (Ф_δ), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499۫ С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость 130 НВ, предел прочности σ_В = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ = 30%).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,8% при температуре 727 °С (точка S), максимальную 2,14% при температуре 1147۫ С (точка Е).

Твердость аустенита 200…250 НВ, относительное удлинение δ = 40…50%.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита. Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (Ф_δ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (Ф_δ). На линии HJB при постоянной температуре 1499۫ С идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (Ф_δ), в результате чего образуется аустенит:

Ф_0,1 + Ж_0,51 ® А_0,16

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147 °С идет эвтектическое превращение - жидкость, содержащая 4,3% углерода, превращается в смесь аустенита и первичного цементита:

Ж_4,3 ® А_2,14 + Ц_6,69

Эвтектика системы «железо – цементит» называется ледебуритом (Л) по имени немецкого ученого Ледебура.

При температуре ниже 727 °С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит перлитный.

По линии HN начинается превращение феррита (Ф_δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (Ф_δ) в аустенит заканчивается.

По линии GS начинается превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, так как растворимость углерода в аустените при понижении температуры уменьшается.

По линии PSK при постоянной температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение - аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в пластинчатую смесь феррита и цементита вторичного:

А_0,8 ® Ф_0,02 + Ц_6,69

Эвтектоид системы «железо – цементит» называется перлитом (П) потому, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Структуры железоуглеродистых сплавов

Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Их структура представляет собой феррит с сеткой третичного цементита по границам зерен(рис. 2.2.а).

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,08…2,14% углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные со структурой Ф + П (рис. 2.2. б); эвтектоидную со структурой перлита (П) (рис. 2.2. в), перлит может быть пластинчатый или зернистый; заэвтектоидные со структурой П + Ц_II, цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита (рис. 2.2. г).

Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,69% С, заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют белыми чугунами. Они отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические со структурой П + Л + Ц_II (рис. 2.2. д); эвтектический со структурой ледебурита (Л); заэвтектические со структурой Л + Ц_I (рис. 2.2.е).

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются.

Определение количественного соотношения фаз в сплавах проводится по правилу отрезков.

Пример: в железоуглеродистом сплаве максимальное содержание вторичного цементита составляет 7%. Определить содержание углерода в данном сплаве.

Решение: Вторичный цементит имеется в сплавах, содержащих (2,14…6,69) %С (см. рис. 2.1) и выделяется при уменьшении растворимости углерода в аустените. Это уменьшение показывает линия переменной растворимости SE и, чем ниже температура, тем больше выделяется вторичного цементита. Максимальное содержание вторичного цементита сплав будет иметь при температуре, соответствующей линии PSK и ниже. Пусть Х – неизвестная концентрация углерода в сплаве. При температуре чуть выше линии PSK в сплаве две фазы – аустенит и цементит. Количественное соотношение этих фаз можно определить по правилу отрезков:

Известно, что в сплаве 7% цементита, т.е. Ц = 0,07×А. Отсюда m = 0,07×n.

По диаграмме состояния определяем, что n + m = SK = 6,69 – 0,8 = 5,89.

Из этих двух условий находим n = 5,5; отсюда Х = 6,69 – 5,5 = 1,18 ≈ 1,2. Сплав является заэвтектоидной сталью.

Контрольные вопросы

1. Какие фазы присутствуют в сплавах железа с углеродом?

2. Какие структурные составляющие встречаются в сплавах железа с углеродом?

3. Чем стали отличаются от белых чугунов? Почему белые чугуны хрупкие?

4. Как называется изотермическое превращение жидкой фазы в механическую смесь двух твердых фаз?

5. Что такое перлит, как он образуется, каковы его свойства?

6. Какие твердые растворы на основе железа существуют, каковы их свойства?

7. Какая промежуточная фаза встречается в сплавах железа с углеродом, каковы ее свойства?

8. Как определить количественное соотношение фаз в сплаве?

9. Как образуется цементит в сплавах железа с углеродом? Укажите все пути образования цементита.

10. Что такое эвтектоидное превращение, как оно происходит в сплавах железа с углеродом?

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: