Физический смысл точек и линий диаграммы
Иркутский государственный технический университет
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ЧЁРНЫХ СПЛАВОВ
Лабораторный практикум
Издательство Иркутского государственного технического университета
2007
Металловедение черных сплавов. Лабораторный практикум. Составили: Константинова М.В., Николаева Е.П., Бузевич Г.И., Гусева Е.А. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. – 64 с.
В лабораторном практикуме, посвященном металловедению черных сплавов, представлены краткие сведения из теории, методические указания по выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы. Приводятся правила классификации и маркировки сталей и чугунов, основы выбора режимов термической обработки с целью получения комплекса механических свойств, рассматривается влияние легирующих элементов на свойства сплавов, строение стального сварного шва. В работах 6, 7, 8, 9 рассматриваются общие теоретические вопросы металловедения, поэтому эти работы могут быть использованы для изучения любых металлических сплавов.
Лабораторный практикум предназначен для самостоятельной подготовки к лабораторным работам, а также для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Металловедение и термическая обработка металлов» студентами очной и ускоренной форм обучения металлургических, механических, горных, энергетических и геологических специальностей.
|
|
|
Рецензент: канд. техн. наук, доцент С.Г. Донцова
Библиогр. 10 наимен. Ил. 14. Табл. 15.
Лабораторная работа 1
Диаграмма состояния «железо – углерод»
Цель работы: ознакомиться с диаграммами состояния «железо – углерод» и «железо – цементит», основными фазовыми и структурными превращениями, протекающими в железоуглеродистых сплавах при различных переохлаждениях и концентрациях углерода.
Значение диаграммы состояния «железо – углерод»
Диаграмма «Fe – C» является основой для изучения и практического применения сплавов железа с углеродом. Строение железоуглеродистых сплавов можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой железоуглеродистых сплавов являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойствами железоуглеродистых сплавов.
Компоненты и фазы системы «железо – углерод»
Железо – металл полиморфный, который при обычном давлении может существовать в нескольких модификациях. На рисунке 1.1, а показана кривая охлаждения чистого железа. До 911 ºС (точка А3) существует a-железо с объемно центрированной кубической решеткой (ОЦК) с периодом решетки 0,286 нм; a-железо ферромагнитное, но при температуре 768 ºС (точка Кюри, А2) переходит в парамагнитное состояние без изменения свойств. В интервале температур 911¸1392 ºС существует g-железо с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) с периодом 0,364 нм, а выше 1392 ºС (А4) – железо с ОЦК решеткой с периодом 0,293 нм, которое обозначают как d-железо. Решетка ГЦК более компактна, чем ОЦК, поэтому при полиморфном переходе Fea®Feg объем железа уменьшается приблизительно на 1%.
|
|
|
Углерод в обычных условиях находится в виде графита, но при высоких температурах и давлении может существовать в виде метастабильной модификации – алмаза. Графит имеет слоистую гексагональную решетку, электропроводен, не прочен.
Фазовых составляющих, или фаз – гомогенных частей системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенных от остальных частей рассматриваемой системы поверхностями раздела, – в железоуглеродистых сплавах различают пять: жидкий расплав (раствор), графит, цементит, аустенит, феррит.
|
|
|
|
а б
Рис. 1.1. Кривая охлаждения железа (а) и диаграмма состояния «железо-углерод» (б)
личается высокой твердостью, хрупкий, температура плавления при нагревании лазерным лучом установлена равной 1260 ºС. При нагревании цементит распадается на графит и феррит.
Основной причиной появления в сплавах железа с углеродом высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе и твердых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твердых растворах зарождается и растет цементит.
|
|
|
Фазовые состояния и структурные превращения железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры описываются диаграммами стабильного или нестабильного равновесия. Эти диаграммы характеризуют превращения в системах «железо – углерод» или «железо – цементит», соответственно.
В стабильном состоянии в железоуглеродистых сплавах встречаются жидкий раствор углерода в железе, a-, g-, d-твердые растворы углерода в модификациях железа (феррит, аустенит) и графит.
На рис. 1.1, б представлена метастабильная диаграмма состояния «Fe–Fe3C». Содержание углерода в диаграмме ограничивается 6,67%, при котором образуется карбид железа (Fe3C).
Физический смысл точек и линий диаграммы
Каждая точка диаграммы имеет определенный физический смысл.
A – температура плавления (кристаллизации) чистого железа, 1392 ºС.
В – точка предельного насыщения углеродом (0,51% С) жидкого раствора, находящегося в равновесии одновременно с кристаллами d-феррита и аустенита при перитектической температуре 1499 ºС.
C – эвтектическая точка, показывает содержание углерода в жидкости (4,3% С), находящейся в равновесии с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении при 1147 ºС.
D – температура разложения цементита (6,67% С), 1260 ºС.
E – соответствует предельному содержанию углерода в аустените (2,14%), находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью при эвтектической температуре 1147 ºС.
G – температура полиморфного a « g превращения железа, 911 ºС.
|
I – точка трехфазного равновесия, соответствующая равновесной концентрации углерода в аустените (0,16% С), образующегося из жидкости и d-феррита по перитектической реакции.
N – температура полиморфного g«d превращения железа, 1392 ºС.
М – точка Кюри чистого железа, соответствует переходу железа в парамагнитное состояние при нагревании и в ферромагнитное – при охлаждении, 768 ºС.
P – показывает предельное содержание углерода в феррите (0,02% С), находящемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной температуре 727 ºС.
Q – точка предельной растворимости углерода в феррите (0,006% С) при комнатной температуре.
S – показывает предельную концентрацию углерода в аустените (0,8%), находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидной температуре.
Линия ABCD – ликвидус – показывает температуры начала кристаллизации сплавов при охлаждении (или окончание плавления при нагревании). Линия AHIECF – солидус – показывает температуры окончания процесса кристаллизации жидкости при охлаждении (или температуры начала плавления сплавов при нагревании).
Ниже линии AB кристаллизуется d-феррит (Ф) из жидкого расплава, ниже ВС – аустенит (А). CD соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (из жидкости), SE – вторичного цементита (из аустенита), PQ – третичного цементита (из феррита).
При определенных условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии одновременно три фазы. В системе «Fe – Fe3C» происходят три изотермических превращения:
· перитектическое на линии HIB (1499 ºС) ФН + ЖВ ® АI
· эвтектическое на линии ECF (1147 ºС) ЖC ® [АE + Ц]
· эвтектоидное на линии PSK (727 ºС) АS ® [ФP + Ц]
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом,а эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом. При охлаждении ледебурита ниже температур линии PSK входящий в него аустенит испытывает эвтектоидное превращение в перлит, и при температуре 20¸25 ºС ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (НВ > 6000 МПа) и хрупкости. Ледебурит затрудняет обработку резанием сплавов, обуславливает их неспособность к обработке давлением.
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 1022; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!