Изучение технологических процессов сплавления компонент и термической обработки сплавов по диаграмме состояния железо-углерод
5.1. Учебные цели:
1. Отработать навыки решения практических задач по анализу структурных превращений в железоуглеродистых сплавах по диаграмме Fe-Fe3C.
5.2. Учебные вопросы:
1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
2. Диаграмма Fe-Fe3C.
3. Процессы в сплавах при охлаждении и нагреве.
5.3. Учебно-справочные материалы по строению и свойствам железоуглеродистых сплавов
Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод. Помимо их в сплавах всегда присутствуют различные примеси.
Железо (Fe) – металл серебристо-серого цвета. Его плотность ρ=7,86 г/см3, температура плавления tпл =1539ºС. До 911ºС железо имеет кристаллическую решетку объёмно-центрированного куба (Feα), выше – гранецентрированного куба (Feγ ). При температурах меньших 768ºС (точка Кюри) железо ферромагнитно, при больших – парамагнитно. Иногда парамагнитную модификацию α-железа обозначают Feβ. Механические свойства железа зависят от содержания в нем примесей. Технически чистое железо имеет σв ≈ 250 МПа, δ ≈ 50%.
Углерод (С) – неметалл. Он неограниченно растворяется в жидком (расплавленном) железе и ограниченно в твердом, а также образует с ним химическое соединение Fe3C (карбид железа). В материаловедении Fe3C принято называть цементитом.
|
|
|
В равновесном состоянии в сплавах железа с углеродом могут образовываться фазы: феррит, аустенит и цементит.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Feα с максимальной концентрацией С=0,02% при 727ºС и С=0,006% при 20ºС. Как и железо, он ферромагничен при t<768ºС. В сталях и чугунах феррит имеет максимальную концентрацию углерода, соответствующую температуре сплава. Его механические свойства близки к свойствам технически чистого железа: σв ≈ 250 МПа, НВ ≈1000 МПа, δ ≈ 30%.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ с максимальной концентрацией С = 2,14% при 1147ºС и С = 0,8% при 727ºС. Он парамагнитен, пластичен, легко деформируется, обладает невысокой прочностью. Конкретные показатели механических свойств аустенита зависят от концентрации в нем углерода и температуры.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C. Концентрация углерода в цементите строго определенная С = 6,67%. Он имеет сложную кристаллическую решетку, отличную от решеток других фаз, обладает высокой твердостью (HRC65–67) и хрупкостью (δ=0%). Цементит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах с C > 0,006%. Различают три вида цементита: первичный (Ц1) кристаллизующийся из жидкого расплава, вторичный (Ц11), выделяющийся из аустенита при t<1147ºС и третичный, выделяющийся из феррита при t<727ºС. Все виды цементита имеют одинаковые строения и свойства.
|
|
|
Помимо однородных фаз (Ф, А и Ц) в железоуглеродных сплавах существуют и двухфазные структурные составляющие: перлит и ледебурит.
Перлит (эвтектоид) (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая С = 0,8%, Он образуется в процессе охлаждения сплава при 727ºС из аустенита с С = 0,8%. Перлит ферромагнитен. Его механические свойства:
σв ≈ 900 МПа, НВ ≈ 2000 МПа, δ≈10%.
Перлит присутствует во всех сплавах с С > 0,006%.
Ледебурит (Л) (эвтектика) – может быть первичным (Л1) и вторичным (Л11). Л1 механическая смесь аустенита и цементита концентрацией 
4,3%. Он кристаллизуется из жидкого расплава, имеющего концентрацию С=4,3% при 1147ºС. При 727ºС аустенит, входящий в состав Л1 превращается в перлит. Образующаяся при этом структура – механическая смесь перлита и цементита с С=4,3% и есть Л11. Л11 вторичный характеризуется высокой твердостью (HRC60–64) и хрупкостью (δ=0).
Диаграмма Fe-Fe3C
Диаграмма (рис. 5.1) представляет собой графическое изображение областей существования фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации С или Fe-Fe3C (ось абсцисс) и температуры (ось ординат).
|
|
|
Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы 
Точка А (1539ºС) на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250ºС) – цементита. В точке С (с концентрацией 4,3% C и температурой 1147ºС) плавится ледебурит первичный (эвтектика).
Линия ACD – линия ликвидус (выше ее, сплавы находятся в жидком состоянии (Ж)). При охлаждении она показывает температуру начала первичной кристаллизации: по линии AC из жидкого раствора начинает кристаллизоваться аустенит, по CD – цементит первичный (цементит, выделившийся из жидкого раствора, называется первичным, а цементит, образовавшийся из аустенита, – вторичным).
Линия AECF – линия солидус – характеризует конец кристаллизации. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.
Прямая ECF называется линией эвтектического превращения; при температуре 1147°С из жидкого сплава образуется эвтектика 
.
Линия AE – конец кристаллизации аустенита. Точка E диаграммы показывает максимальную растворимость углерода (C =2,14%) в аустените при температуре 1147°С.
Точка G (911ºС) диаграммы соответствует температуре полиморфного превращения чистого железа. Линия GS – начало, линия GP – конец превращения аустенита в феррит.
|
|
|
В точке S (с концентрацией 0,8% углерода и температурой 727°С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь (эвтектоид), называемая перлитом (П).
Прямая PSK называется линией эвтектоидного превращения.
Линия SE показывает температуры начала выделения вторичного цементита и является линией предельной растворимости углерода в аустените.
Все фазы и структурные составляющие сплавов данной системы указаны непосредственно в диаграмме.
Точка E (С = 2,14%) принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны.
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода, называют сталями, а более 2,14% углерода – чугунами.
Сталь с содержанием углерода 0,8% называется эвтектоидной, менее 0,8% С – доэвтектоидной, более 0,8% С – заэвтектоидной. Эвтектоидная сталь при t ≈20°С имеет одну структурную составляющую – перлит. Структура доэвтектовидных сталей состоит из феррита и перлита, а заэвтектоидных – из перлита и цементита вторичного.
Чугун с содержанием углерода 4,3% называется эвтектическим, менее 4,3% C – доэвтектическим, более 4,3% C – заэвтектическим.
Превращение в сплавах при охлаждении и нагреве
Для анализа процессов, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве используется диаграмма Fe-Fe3C. На этой диаграмме через точку оси абсцисс с концентрацией углерода рассматриваемого сплава проводится вертикальная линия. Точки пересечения этой линии с линиями диаграммы отображают температуры, при которых в сплаве происходят структурные превращения. Такие точки называются критическими точками или критическими температурами.
На рис. 5.2 приведена левая часть диаграммы Fe-Fe3C (а) и кривые охлаждения сталей (б).
Рис. 5.2. Левая часть диаграммы (а) и
кривые охлаждения сталей (б)
Превращения, происходящие в сталях при охлаждении из расплавленного состояния, приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Превращения, происходящие в сталях при охлаждении
из расплавленного состояния
| Сплав | Крити-ческая точка | Превращения, происходящие в сталях при охлаждении |
| 1 (с<0,8%) | 1 | Начало кристаллизации А |
| 2 | Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А | |
| 3 | Начало выделения кристаллов Ф из А | |
| 4 | Конец выделения Ф из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру Ф + П | |
|
II (С=0,8%)
| 1 | Начало кристаллизации А |
| 2 | Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А | |
| 3 | Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру П | |
|
III (С>0,8%) | 1 | Начало кристаллизации А |
| 2 | Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А | |
| 3 | Начало выделения Ц11 из А | |
| 4 | Конец выделения Ц11 из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру П + Ц11 |
На рис. 5.3 приведена правая часть диаграммы Fe-Fe3C (в) и кривые охлаждения чугунов (г)
Рис. 5.3. Правая часть диаграммы (в) и
кривые охлаждения чугунов (г)
Структурные превращения в чугунах при охлаждении из жидкого состояния приведены в табл. 5.2. При нагреве в сплавах происходят обратные превращения.
Таблица 5.2
Превращения, происходящие в чугунах при охлаждении
из расплавленного состояния
| Сплав | Крити-ческая точка | Превращения, происходящие в сталях при охлаждении |
|
1 (С<4,3%) | 1 | Начало кристаллизации А. |
| 2 | Конец кристаллизации А. Кристаллизация Л1 (эвтектическое превращение). Чугун переходит в твердое состояние со структурой А + Л1. Начало выделения Ц11 из А. | |
| 3 | Конец выделения Ц11 из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру А + Ц11 + Л11. | |
|
II (С=4,3%) | 1 | Кристаллизация Л1 (эвтектическое превращение). Чугун переходит в твердое состояние со структурой Л1. |
| 2 | Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру Л11. | |
|
III (C>4,3%) | 1 | Начало кристаллизации Ц1. |
| 2 | Конец кристаллизации Ц1. Кристаллизация Л1. Чугун переходит в твердое состояние со структурой Ц1 + Л1. | |
| 3 | Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру Ц1 + Л11. |
Порядок выполнения задания:
1. Дать определение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов и указать их основные свойства.
2. Назвать основные точки и линии диаграммы Fe-Fe3C и показать, какие превращения происходят при температурах, соответствующих этим точкам и линиям.
3. Для двух сплавов с содержанием углерода, заданным преподавателем, изобразить кривые охлаждения, описать превращения при охлаждении. На наклонных и горизонтальных участках кривых охлаждения указать структурные составляющие сплавов.
4. Сформулировать выводы по работе, в которых определить практическое значение диаграммы Fe-Fe3C.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение феррита, аустенита, цементита, перлита, ледебурита первичного, ледебурита вторичного. Охарактеризуйте свойства этих структурных составляющих.
2. В каких структурных составляющих наибольшее (наименьшее) содержание углерода?
3. В каких структурных составляющих фиксированное содержание углерода?
4. Какие точки и линии отображаются на диаграмме Fe-Fe3C? Каким превращениям они соответствуют?
5. Опишите структурные превращения в сплавах при охлаждении из расплавленного состояния (концентрация С=0,2%, С=0,8%, С=2%, С=3%, С=4,3%, С=5%.
Литература для самостоятельной работы:
1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.194-201.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 931; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!