«Железо-цементит»

Цель работы: научиться проводить анализ диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, изучить свойства фаз и структурных составляющих, научиться строить кривые охлаждения и нагрева сплавов, определять составы фаз и их количественное соотношение.

На диаграмме состояния железо-цементит Fe–Fe₃C(рис.1б) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от чистогоFe(0C) до цементитаFe₃C(6,67C). В интервале концентраций 02,14Cнаходятся стали; 2,146,67C– чугуны. Диаграмма на рис.1б приведена в упрощенном варианте, а именно, исключена перитектическая реакция, обусловленная высокотемпературной модификациейFe(). Линии диаграммы фиксируют начало и конец того или иного превращения. Каждая область включает одну или две фазы, которые образуют структурные составляющие. Любая точка диаграммы показывает химический состав, температуру, фазовый состав и структуру сплава.

В системе железо – цементит присутствуют фазы: жидкая и твердая (феррит, аустенит и цементит). Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_ cпредельной растворимостью 0,02% С (точкаP). Феррит мягкий, пластичный с недостаточно прочной структурой и со свойствами:_в=250 МПа;_0,2=120 МПа;=50%;=80%; НВ 800900 МПа. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода вFe_; занимает область АЕSG; имеет предельную растворимость углерода 2,14% (точка Е). Аустенит немагнитен; обладает высокой пластичностью и низкой прочностью. Цементит (Ц) – это химическое соединениеFe₃C– карбид железа. В цементите содержится 6,67% С, ему отвечает ординатаDFKL. Цементит обладает очень низкой пластичностью и высокой твердостью доHV1000.

Области жидкой фазы, феррита и аустенита однофазные, остальные – двухфазные. Структурное состояние сплавов может быть более сложным, чем фазовое. Так, в стали с содержанием углерода 0,8% (точка S) при температуре 727С образуется эвтектоидная смесь феррита (Ф) и цементита (Ц), названная перлитом (П). Соответственно, сталь с содержанием углерода 0,8% является эвтектоидной и имеет структуру перлита (П); стали с содержанием С0,8% - доэвтектоидные со структурой перлита (П) и феррита (Ф); стали с содержанием углерода от 0,8% до 2,14% - заэвтектоидные со структурой П + Ц.

Чугун с содержанием углерода 4,3% (точка C) кристаллизуется при 1147С с образованием эвтектической смеси ледебурит (Л). Ледебурит в интервале температур 1147727С состоит из А + Ц (Л = А + Ц); при 727С аустенит превращается в перлит (П); ниже 727С ледебурит - это смесь П + Ц (Л = П + Ц). Превращение аустенита (727С) в перлит (П) названо эвтектоидной реакцией. Чугун с содержанием С = 4,3% является эвтектическим, имеет структуру ледебурита (Л); с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% - доэвтектическим, имеет в интервале температур 1147727С структуру (А + Ц + Л), ниже 727С (П + Ц + Л); с содержанием углерода от 4,3% до 6,67% - заэвтектическим, имеет структуру Л + Ц ( П+Ц ).

Превращения в сталях.Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении стали составаIиз жидкого состояния в твердое. Проводим на диаграмме (рис. 1б) вертикаль, соответствующую составуI(заэвтектоидная сталь). При пересечении линии ликвидусACDпри температуреt₁ начинается первичная кристаллизация – выделяются кристаллы аустенита А; завершается кристаллизация при пересечении линии солидусAECFпри температуреt₂; в результате в интервале температурt₁t₂состояние сплава Ж + А. Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием аустенита.

В интервале температур t₂t₃сохраняется структура аустенита, никаких превращений не происходит. В интервале температурt₃t₄вследствие уменьшения растворимости углерода (от 2,14 до 0,8%) в аустените по линии ЕSиз аустенита выделяется цементит; структура - аустенит плюс цементит (А + Ц). При 727С содержание углерода в аустените снижается до 0,8% (точкиSна диаграмме) и в интервале времени t₄t₄¹происходит эвтектоидная реакция: А превращается в П (на кривой охлаждения рис.1а - горизонталь). Ниже 727С структура П + Ц остается без изменений.

Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при температуре до 727С сохраняется структура аустенита, а при температуре 727С происходит эвтектоидная реакция – аустенит превращается в перлит; ниже 727С структура П остается без изменений.

Для доэвтектоидных сталей (С 0,8%) в интервале между линиямиGS–PSпроисходит изменение кристаллической решетки железаFe_ вFe_: аустенит превращается в феррит (АФ). Содержание углерода в аустените и феррите повышается.

Процессы, происходящие при охлаждении () и нагреве () обратимы (^_). При нагреве стали составаIструктура сплава до температуры 727С представляет собой ( П + Ц), при 727^С (АП) и структура в интервале температурt₄t₃ ( А + Ц) ; при повышении температуры отt₄доt₃ цементит распадается, а образовавшийся углерод растворяется в аустените; при температуреt₃содержание углерода в аустените соответствует составу сплаваI; в интервале температурt₃–t₂изменений не происходит; в интервале температурt₂t₁ происходит плавление (ЖА) и выше температурыt₁сохраняется жидкое агрегатное состояние.

Превращения в чугунах.Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении чугуна составаIIиз жидкого состояния. На диаграмме (рис.1б) проводим вертикаль, соответствующую составуII. Кристаллизация начинается при температуреt₇ cвыделения аустенита, в интервалеt₇t₉состав выделяющегося аустенита изменяется по линии солидус АЕ до состава А_Е,а состав остающейся жидкости - по линии ликвидус АС до состава Ж_С. При температуре 1147С в интервале времени₉ -₉¹происходит эвтектическая реакция, при которой жидкость превращается в ледебурит (А_Е+Ц=Л). На кривой рис.1в этому процессу соответствует горизонталь (процесс протекает при постоянной температуре). В интервале температурt₉t₁₁растворимость углерода в аустените уменьшается по линииESот 2,14 до 0,8%Cи из аустенита выделяется, в том числе и входящий в ледебурит, цементит.

Структура доэвтектического сплава в интервале температур t₉t₁₁(А+Ц+Л). При температуре 727С в период времени₁₁-₁₁¹аустенит (А) по эвтектоидной реакции превращается в перлит (П), (на рис.1в этому процессу соответствует горизонталь) и структура сплава ниже температуры 727С (линииPSK) - ( Ц+П+Л).

Для эвтектического чугуна (4,3%С) кристаллизация происходит при постоянной температуре 1147С по эвтектической реакции и завершается образованием ледебурита (Л).

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается на линии ликвидус СDcвыделения цементита Ц и завершается при 1147Cэвтектической реакцией – образованием ледебурита (Л); структура сплава после кристаллизации - (Ц+Л). При нагреве происходят обратные () процессы.

Рассмотрим, как определить структуру, фазовый состав, содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз для заданной точки диаграммы «b» (температураt_b=1030С, содержание углерода С=2,9%). Структура сплава (А+Ц+Л), так как ледебурит (Л) – это смесь аустенита (А) и цементита (Ц), то фазовый состав сплава – это (А+Ц). Содержание углерода в аустените соответствует проекции точки «a» на ось концентрации примерно 1,6%; в цементите – проекции точки «c» - 6,67%. По правилу отрезков количество аустенита соответствует отрезку «bc», а цементита отрезку «ab». Принимая ось концентраций за масштаб, получим, что отрезок «ac», соответствующий всему объему, пропорционален 6,67-1,6=5,09; отрезок «bc», отвечающий количеству аустенита, пропорционален 6,67-2,9 = 3,79; отрезок «ab», для количества цементита, пропорционален 2,9–1,6 = 1,3.

Количество аустенита можно определить как 3,79/5,09 0,7575%, количество цементита -1,3/5,090,2525%.

Задание и содержание отчета

1. Вычертить диаграмму железо – цементит с указанием температур фазовых превращений, содержания углерода для характерных точек, фаз и структурных составляющих областей диаграммы.

2. Построить кривую охлаждения или нагрева для сплава, указанного преподавателем, описать происходящие при охлаждении (нагреве) превращения.

3. Для заданной температурной точки определить структуру, фазовый состав, содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз.

4. Отчет по работе оформить в соответствии с требованиями, установленными в СПГГИ к аналогичным работам, т.е. в компьютерном варианте.

5. Защита лабораторной работы осуществляется в устной форме.

10

11

Работа 3. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ