Анализ диаграммы состояния железо-цементит, изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей

Цель работы: Изучить микроструктуры углеродистых сталей и их маркировку. Рассмотреть превращения, проте­кающие в железоуглеродистых сплавах в соответствии с диаграммой состояния.

План работы

1. Изучить основные превращения, протекающие в же­лезоуглеродистых сплавах, кристаллизующихся по диаграм­ме железо-цементит.

2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей по микрошлифам, определив содержание углерода и марку в образцах доэвтектоидной стали.

3. Определить на образцах углеродистых сталей твердость на приборе Роквелла по шкале HRB.

Пояснения к работе

Компонентами системы Fe — Fe₃С являются железо Fe и цементит Fe₃С.

Железо кристаллизуется при температуре 1539°С, в твердом состоянии претерпевает полиморфные превращения:

1. α - Fe имеет кристаллическую решетку объемно-центриро­ванного куба и существует при температурах ниже 911⁰С.

2. γ-Fe имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и сохраняется в интервале температур 911— 1392⁰С;

3. δ-Fe имеет кристаллическую решетку объемно-цснтрированного куба, является высокотемпературной модификацией α - Fe и существует при температурах 1392—1539⁰.

При температуре 768⁰С (точка Кюри) железо меняет магнитное состояние; ниже 768⁰С железо ферромагнитно, а нише—немагнитно.

Второй компонент системы—цементит, он имеет ромбическую решетку и является метастабильным соединением, и при высоких температурах и больших концентрациях углерода диссоциирует с образованием графита и твердого раствора углерода в α - Fe или γ-Fe.

Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

На диаграмме Fe — Fe₃С различают в твердом состоянии три фазы: феррит, аустенит, цементит и три структурных составляющих: перлит, ледебурит эвтектический и. ледебурит превращенный.

Феррит Ф – твердый раствор внедрения углерода в α – Fe при 727⁰С может содержать 0,02% углерода, при комнатной – около 0,01%, пластичный, имеет твердость около 600 МПа. При растворении в феррите марганца, кремния, фосфора твердость повышается до 900 МПа. Феррит ферромагнитен до температуры 768⁰С, является чистым железом, имеет предел прочности примерно 250 МПа.

Аустенит А - твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe. При 1147⁰С может содержать до 2,14% углерода, при 727⁰С – 0,8%. Аустенит немагнитен, вязок, имеет твердость до 2000 МПа (назван по имени английского ученого Р. Аустена).

Цементит Ц – карбид железа Fe₃C, содержит 6,67%С, хрупкий, твердость 8000 МПа, слабомагнитный (при 217⁰С полностью теряет магнитные свойства). Различают цементит первичный, вторичный и третичный. Цементит первичный кристаллизуется из жидкого сплава по линии DC. Цементит вторичный выпадает из аустенита по линии ES и располагается по границам зерен перлита. Цементит третичный выделяется из феррита по линии PQ.

Перлит П – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется в результате распада аустенита концентрации точки S при температуре 727⁰С и содержит 0,83% С. Перлит может быть пластинчатым и зернистым. Твердость перлита увеличивается с его дисперсностью. Твердость зернистого перлита 1600 – 2200 МПа, а пластинчатого – 2000 – 2500 МПа.

Ледебурит Л – эвтектика, представляет собой эвтектическую смесь цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Кристаллизуется ледебурит из жидкого сплава концентрации точки С при температуре 1147⁰С. Назван по имени немецкого ученого А. Ледебура.

Ледебурит превращенный состоит из цементита первичного и перлита, существует при температурах ниже 727⁰С, отличается большой твердостью (7000 МПа) и хрупкостью.

Рис. 1Диаграмма состояния железо – цементит

Построение кривых охлаждения заданных сплавов по диаграмме состояния

Имея диаграмму состояния, можно построить схемати­ческую кривую охлаждения выбранного сплава, которая отобразит характер кривой охлаждения, полученной экспе­риментально.

Для построения схематической кривой охлаждения выб­ранного сплава на оси концентрации диаграммы состояния находим точку, соответствующую составу сплава, и прово­дим вертикальную линию.