- •Диаграмма состояния двойных сплавов и методика их построения
- •Лабораторная работа № 2
- •2.2 Задание
- •2.2.5 Ответить на индивидуальный вопрос
- •2.2.6 Составить отчет.
- •2.3 Основные положения
- •Лабораторная работа №3. Диаграмма состояния системы железо-углерод
- •3.2 Задание
- •3.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •3.2.5 Составить отчет.
- •3.3 Основные положения
- •Лабораторная работа №4 микроструктура чугунов
- •4.2 Задание
- •4.2.6 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •4.2.7 Составить отчет
- •4.3 Основные положения
- •5.2 Задание
- •5.2.8 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •5.2.9 Составить отчет.
- •5.3 Основные положения
- •6.2 Задание
- •6.2.8 Ответить на индивидуальный вопрос
- •6.2.9 Составить отчет.
- •6.3 Основные положения
- •7.2 Задание
- •7.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •7.2.5 Составить отчет.
- •8.2 Задание
- •8.2.9 Составить отчет.
- •8.3 Основные положения
- •Лабораторная работа № 9. Микроструктуры легированных сталей
- •9.2 Задание
- •9.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •9.2.5 Составить отчет.
- •9.3 Общие положения
- •Лабораторная работа №10. Микроструктуры цветных сплавов
- •10.2 Задание
- •10.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •10.2.5 Составить отчет.
- •10.3 Общие положения
- •Лабораторная работа №11. Термическая обработка дюралюминия
- •11.2 Задание
- •11.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •11.2.5 Составить отчет.
- •Лабораторная работа №12. Влияние концентратора напряжения на сопротивление пластмасс при ударном изгибе
- •12.2 Задание
- •12.2.5 Ответить на индивидуальный вопрос.
- •12.2.6 Составить отчет.
- •12.3 Общие положения
- •12.5 Отчет о работе
- •Библиографический список
Лабораторная работа №3. Диаграмма состояния системы железо-углерод
3.1 Цель работы: изучить диаграмму состояния железо-углерод, освоить методику построения кривых охлаждения сплавов разного состава с использованием правила фаз, ознакомиться со структурами железоуглеродистых сплавов по результатам микроанализа.
3.2 Задание
3.2.1 Используя литературные источники [1] изучить диаграмму состояния железо-углерод.
3.2.2 Вычертить в масштабе диаграмму железо-цементит (рис.3.1).
3.2.3 Провести исследование сплавов с определенным составом, указанном в таблице 3.1:
а) построить кривую охлаждения для заданного сплава (рис.3.2);
б) по правилу фаз определить число степеней свободы системы во всех температурных интервалах кривой охлаждения;
в) зарисовать микроструктуру железо-углеродистых сплавов разного состава (таблица 3.1) и дать ее описание.
3.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
3.2.5 Составить отчет.
3.3 Основные положения
Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, при котором все фазовые превращения закончились в соответствии с диаграммой Fe – Fe3C или Fe - Г. Такое состояние сплава может быть получено при медленном охлаждении и исследуется при комнатной температуре. Структуры их рассматриваются при помощи оптического микроскопа.
Рис.3.1. Диаграмма состояния Fe-Fe3C
В результате взаимодействия железа с углеродом в твердом состоянии образуются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ – феррит, аустенит.
а) феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в решетке объемно-центрированного куба (- феррит) и ( - феррит).
Максимальная растворимость углерода в феррите 0,025% при температуре 7270С и 0,1% при температуре 14920С. Феррит мягок и пластичен. Твердость феррита 70-80 НВ.
б) аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в решетке гранецентрированного куба. Максимальная растворимость углерода в аустените при температуре 11470С равна 2,14% и минимальная растворимость при 7270С равна 0,8%.
а |
б |
в |
г |
Рис. 3.2. Микроструктура углеродистых сталей в равновесном состоянии (х250):
а – техническое железо < 0,02 %С (феррит)
б – доэвтектоидная сталь с 0,2 %С (феррит + перлит);
в – Доэвтектоидная сталь с 0,4 %С (феррит + перлит);
г – доэвтектоидная сталь с 0,6 %С (феррит + перлит);
ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ – железо с углеродом образуют ряд химических соединений. Практический интерес представляет химическое соединение Fe3C, т.е. карбид железа, который называется цементитом (Ц). Цементит образуется при концентрации углерода, равной 6,67%, имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (800 НВ).
Механические смеси – ледебурит (Л) и перлит (П)
а) Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика), образуется при содержании углерода 4,3% и температуре 11470С. В интервале температур 11470С – 7270С состоит из аустенита и цементита. Ниже 7270С – представляет механическую смесь перлита и цементита.
б) Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид), образуется при охлаждении из аустенита при температуре 7270С и содержании углерода, равном 0,8%.
Свойства железо - углеродистых сплавов определяются их составом, структурой, кристаллическим и зернистым строением. В связи с этим при изучении микроструктур железоуглеродистых сплавов необходимо обратить особое внимание на изменение свойств в зависимости от содержания углерода.
По структуре все железоуглеродистые сплавы можно разделить на три основных класса:
- сплавы с ферритной структурой, которые называются техническим железом. К ним относится железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,025%. В сплавах с содержанием углерода 0,006-0,025% возможно наличие цементита (третичного). Микроструктура технического железа представлена на рис.3.2,а;
- сплавы, которые в качестве основной структурной составляющей содержат перлит, называются сталями. Сталь в свою очередь подразделяется на:
а) доэвтектоидную с содержанием углерода от 0,025 до 0,8%, структура которой состоит из феррита и перлита. На рис.3.2,б,в,г показана структура доэвтектоидной стали 40 (0,40%С), состоящая из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна), имеющих пластинчатое строение;
б) эвтектоидную сталь с содержанием углерода 0,8%, структура которой состоит только из перлита (рис.3.3,а);
в) заэвтектоидную сталь с содержанием углерода от 0,8% до 2,14 %. Структура заэвтектоидной стали представлена на рис.3.3,б и состоит из зерен пластинчатого перлита, окруженных вторичным цементитом, который на микрофотографии виден в виде светлой сетки вокруг перлитных зерен;
-
сплавы, содержащие в своей структуре ледебурит (эвтектику), относятся к чугунам. Эти чугуны в соответствии с диаграммой называют белыми. Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде химического соединения Fe3C (цементит). Излом белых чугунов светлый, блестящий и поэтому они получили названием белых.
а |
б
|
Рис. 3.3. Микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии (х450):
а – эвтектоидная сталь с 0,8 %С (перлит);
б – заэвтектоидная сталь с 1,2 %С (перлит и сетка цементита)
Белые чугуны подразделяются на:
а) доэвтектические (при содержании углерода от 2,14 до 4,3%), структура которых (рис.3.4,а) состоит из перлита (темные участки), вторичного цементита (светлые участки) и ледебурита, представляющего собой механическую смесь перлита (темные точки) и цементита (светлые часть шлифа);
б) эвтектический чугун содержит 4,3% углерода, структура которого состоит только из ледебурита (рис.3.4,б);
в) заэвтектический чугун содержит углерода от 4,3 до 6,67%.Структура этих чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита (рис.3.4,в).
Таким образом, чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода от 2,14 до 6,67%.
Белые чугуны не применяются для изготовления изделий литьем, а являются передельными чугунами.
В половинчатом чугуне (рис.3.4,г) большая часть углерода находится в виде цементита, а остальная часть углерода – в виде пластинчатого графита.
а |
б |
в |
г |
Рис. 3.4. Микроструктура белых и половинчатых чугунов (х250):
а – доэвтектический белый чугун с 3,5 %С (перлит, цементит и ледебурит);
б – эвтектический белый чугун с 4,3 %С (ледебурит)
в – заэвтектический белый чугун с 6 %С (ледебурит и первичный цементит)
г – половинчатый чугун (перлит, графит, цементит, ледебурит)
Таблица 3.1
Микроструктура железоуглеродистых сплавов
в равновесном состоянии
№ п/п |
Марка сплава |
% содержания углерода |
Микроструктура |
Описание структуры |
Число фаз |
Число компонентов |
Увеличение |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
1. |
Технич. железо |
|
|
|
|
|
|
2. |
Ст.20 |
|
|
|
|
|
|
3. |
Ст.40 |
|
|
|
|
|
|
4. |
Ст.60 |
|
|
|
|
|
|
5. |
Ст.У8 |
|
|
|
|
|
|
6. |
Ст.У8 |
|
|
|
|
|
|
7. |
Ст.У12 |
|
|
|
|
|
|
8. |
Доэвтек. белый чугун |
|
|
|
|
|
|
9. |
Эвт. белый чугун |
|
|
|
|
|
|
10. |
Заэвтек. белый чугун |
|
|
|
|
|
|
3.4 Порядок выполнения работы
3.4.1 Изучить диаграмму состояния Fe - Fe3C и фазовые превращения в сплавах разного состава при нагреве и охлаждении.
3.4.2 Построить кривую охлаждения сплава заданного состава с использованием правила фаз.
3.4.3 Пользуясь оптическим микроскопом МИМ-7 и набором микрошлифов железоуглеродистых сплавов, изучить микроструктуру сплавов разного состава.
3.4.4 Структуру изучаемых сплавов зарисовать в таблице 3.1. и описать ее.
3.4.5 Изучить свойства исследуемых сплавов и область их применения.
3.5 Отчет о работе
3.5.1 Название, цель работы и задание.
3.5.2 Диаграмма состояния Fe – Fe3C (рис.3.1).
3.5.3 Описание исследования кривой охлаждения сплава заданного состава с применением правила фаз.
3.5.4 Таблица 3.1 с исследуемыми микроструктурами сплавов разного состава.
3.5.5 Ответ на индивидуальный вопрос.
3.6 Контрольные вопросы
1. Что такое феррит, аустенит, цементит?
2. Что называется перлитом?
3. Что называется ледебуритом?
4. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции.
5. Укажите однофазные области на диаграмме состояния.
6. Какие Вы знаете железоуглеродистые сплавы?
7. Какова растворимость углерода в аустените?
8. Какова растворимость углерода в феррите?
9. Характерная структурная составляющая для сталей и белых чугунов.
10. В какой форме выделяется цементит первичный, вторичный и третичный?
11. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,02%С.
12. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,4%С.
13. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,8%С.
14. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 1,2%С.
15. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 2,5%С.
16. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3%С.
17. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 5%С.