Краткие теоретические сведения
Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе «железо-карбид железа», и стабильном, отражающем превращения в системе «железо-графит». Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния «железо-карбид железа», т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.
Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния «железо-цементит» (Fe-Fe3C) (рисунок 3).
Рисунок 3- Диаграмма состояния «железо - цементит».
Диаграмма состояния Fe-Fe3C показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.
1.1 Компоненты железоуглеродистых сплавов.
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.
1 Железо– переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539oС± 5oС.
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911oС и 1392oС. При температуре ниже 911oС существует Fe α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является Fe γ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ или высокотемпературное Fe α. Высокотемпературная модификация Fe α не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру превращения Fe α↔Fe γ обозначают точкой А3, а температуру превращения Fe α↔Fe γ - точкой А4.
|
|
|
При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.
2 Углеродотносится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита, а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
3 Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.
|
|
|
Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
1.2 Фазы железоуглеродистых сплавов.
1 Жидкая фаза (Ж). В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2 Феррит(Ф) Fe α – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Углерод располагается в дефектах ОЦК решетки.
Свойства феррита близки к свойствам железа, низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.
|
|
|
3 Аустенит (А) Fe γ – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.
Углерод занимает место в центре ГЦК решетки.
4Цементит(Ц) – характеристика дана выше.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
1.3 Кристаллизация железоуглеродистых сплавов.
Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограниченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).
Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:
|
|
|
- эвтектическое превращение на линии ECF (1147 ºC) Ж→ (А+Ц);
- эвтектоидное превращение на линии PSK (727 ºC) A → (Ф + Ц).
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П).
1.4 Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C
Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.
Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.
ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.
CD – линия выделения первичного цементита.
AE – заканчивается кристаллизация аустенита.
ECF – линия эвтектического превращения.
GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727ºC).
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
ES – линия выделения вторичного цементита.
PQ – линия выделения третичного цементита.
1.5 Области диаграммы состояния Fe – Fe3C
Линии диаграммы делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.
I – Жидкий раствор (Ж).
II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).
III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).
IV – Кристаллы аустенита (А).
V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).
VI – Кристаллы феррита (Ф).
VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).
VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).
IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).
X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).
XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).
XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Л пр).
XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).
XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI) перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).
Порядок выполнения работы.
2.1 Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe3C (рисунок 3) и обозначить каждую область диаграммы условными обозначениями соответствующих структур.
2.2 Исследовать сплав при медленном нагреве (охлаждении)
Для этого нужно на оси концентрации диаграммы состояния Fe – Fe3C найти точку, соответствующую количеству углерода из своего варианта (таблица 3), от нее провести перпендикуляр к оси концентрации. Точки пересечения перпендикуляра с основными линиями диаграммы пронумеровать арабскими цифрами, провести из них горизонтали на ось температур и определить температуры превращений в сплаве. Описать процессы изменения структуры, происходящие в обозначенных точках.
2.3 Вычертить график охлаждения данного сплава в координатах «время-температура», показав связь критических точек на диаграмме и графике (время при этом откладывается произвольно).
2.4 Указать для своего сплава температуры начала и конца первичной и вторичной кристаллизации.
Таблица 3 – Варианты контрольных сплавов
| Номер варианта | % С | Номер варианта | % С | Номер варианта | % С |
| 1 | 0,2 | 11 | 5,1 | 21 | 1,2 |
| 2 | 1,1 | 12 | 2,8 | 22 | 3,5 |
| 3 | 3,0 | 13 | 1,1 | 23 | 4,3 |
| 4 | 4,3 | 14 | 0,45 | 24 | 5,5 |
| 5 | 5,0 | 15 | 1,7 | 25 | 0,15 |
| 6 | 0,02 | 16 | 1,0 | 26 | 0,8 |
| 7 | 0,35 | 17 | 4,5 | 27 | 0,9 |
| 8 | 0,8 | 18 | 2,7 | 28 | 2,4 |
| 9 | 1,3 | 19 | 0,7 | 29 | 4,7 |
| 10 | 2,5 | 20 | 0,4 | 30 | 1,2 |
Содержани е отчета
В отчете должны быть изложены:
1) номер лабораторной работы;
2) тема лабораторной работы;
3) цель работы;
4) диаграмма состояния Fe – Fe3C (рисунок 3) с обозначением фаз и структурных составляющих по всем областям диаграммы;
5) температуры
5) подробное описание изменений структуры при медленном нагреве (охлаждении) сплава;
6) кривая охлаждения контрольного сплава;
7) вывод по проделанной работе.
К онтрольны е вопросы
1 Определение: феррит, аустенит, цементит.
2 Какими линиями диаграммы ограничивается температурный интервал первичной кристаллизации?
3 В чем состоит сущность эвтектического превращения?
4 В чем состоит сущность эвтектоидного превращения?
5 Что такое ледебурит?
6 Что такое перлит?
7 На какой линии и при какой температуре происходят эвтектические превращения?
8 На какой линии и при какой температуре происходят эвтектоидные превращения?
9 Линия выделения первичного цементита?
10 Линия выделения вторичного цементита
11 Линия выделения третичного цементита?
12 Фазы железоуглеродистых сплавов.
Лабораторная работа №3
«Изучение микроструктуры отожженных сталей и чугунов»
Цель работы: изучить микроструктуру углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии; научиться определять вид сплава по его микроструктуре.
Материально-техническое обеспечение:
1 Микроскоп.
2 Набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии с различной массовой долей углерода.
3 Набор микрошлифов чугунов.
4 Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.
5 Методические указания.
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 538; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!