Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

И.В. Боткин, ю.Н. Косицын, п.И. Мазуров

Лабораторная работа №4 (4 часа)

Изучение диаграммы состояния сплавов системы Fe – Fe3c

Методические указания к лабораторной работе

Бийск 2009

УДК

Боткин И.В. Изучение диаграммы состояния сплавов системы Fe–Fe₃C. Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 151001, 190603, 170104, 240701, 240702, 240706, 160302, 220501, 260601 /И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров.

Алт. гос. тех. ун-т, БТИ, - Бийск

Из-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. - 19с.

Методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Материаловедение».

В указаниях даются методы анализа диаграммы состояния сплавов и основные правила, которыми пользуются при изучении диаграмм состояния.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Протокол № ___от «___» «________________» 200_ г.

Рецензент: д.т.н., начальник отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай» Игонин Г.С.

©БТИ АлтГТУ, 2009

1 Цель работы

Закрепление знаний, полученных на лекциях; научиться проводить анализ диаграммы состояния сплавов на примере диаграммы Fe–Fe₃C.

2 Предмет и содержание работы

Диаграммой состояния сплавов называется графическая зависимость фазового состава данной системы сплавов от температуры и концентрации исходных компонентов.

Изучение диаграммы состояния сплавов системы Fe–Fe₃Cимеет большое практическое значение, поскольку железоуглеродистые сплавы являются основным материалом нашей промышленности. Умение читать данную диаграмму позволяет более грамотно выбирать необходимые марки сталей и чугунов, разрабатывать технологические процессы, связанные с обработкой этих сплавов.

Несмотря на то, что и стали, и чугуны относятся к сплавам сложного состава, т.к. кроме железа и углерода они обязательно должны содержать марганец, кремний, серу и фосфор, тем не менее, фазовый анализ этих сплавов позволяет их рассматривать как двойные сплавы, пренебрегая наличием примесей. Диаграмма состояния сплавов системы Fe–Fe₃Cпредставлена на рисунке 1.

2.1 Компоненты диаграммы и их свойства

Компонентами диаграммы являются железо, углерод и цементит.

1. Железо– переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539 °С± 5 °С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911 °С и 1392 °С. При температуре ниже 911 °С существуетFe_α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911...1392 °С устойчивым являетсяFe_γ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называетсяFe_δили высокотемпературноеFe_α. Высокотемпературная модификацияFe_αне представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911 °С превращенияFe_α↔Fe_γобозначают точкойA₃ , а температуру 1392 °С превращенияFe_δ↔Fe_γ– точкой А₄.

При температуре ниже 768 °С железо ферромагнитное, а выше – парамагнитное. Точка Кюри железа 768 °С обозначается А₂.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe – Fe3C

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности σ_В=250 МПа, предел текучести σ_Т=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение δ=50 %,aотносительное сужение ψ= 80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

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 °С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 °С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), 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…1550 °С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.