- •Матеріалознавство та технологія матеріалів
- •Херсон - 2011
- •1 Методичні рекомендації до вивчення курсу
- •Тема 1. Будова та властивості металів і сплавів
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 2. Залізовуглецеві сплави
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 3. Термічна і хіміко-термічна обробка сталі
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 4. Леговані сталі і сплави
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 5. Кольорові метали і сплави
- •Питання для самоперевірки
- •1 Охарактеризуйте властивості міді і вплив на них домішок.
- •Тема 6. Тверді сплави
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 7. Корозія металів
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 1. Деревні матеріали
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 2. Пластичні маси, гума, скло
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 1. Виробництво чавуну
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 2. Виробництво сталі
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 3. Виробництво кольорових металів
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 4. Порошкова металургія
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 1. Ливарне виробництво
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 2. Обробка металів тиском
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 3. Зварювальне виробництво
- •Питання для самоперевірки
- •Тема 4. Обробка металів різанням
- •Питання для самоперевірки
- •2 Лабораторно-практичні роботи
- •Теоретичні відомості
- •Аналіз діаграми стану сплавів системи залізо-цементит Мета роботи
- •Теоретичні відомості
- •Вивчення мікроструктури вуглецевих сталей та чавунів
- •Контрольні питання
- •3 З’ясувати суть хіміко-термічної обробки.Термічна та хіміко-
- •3 Індивідуальні завдання (Завдання та методичні рекомендації)
- •Короткі Довідкові дані про матеріалИ: хімічний склад, механічні властивості та призначення
- •Навчальне видання
- •Матеріалознавство
- •Технологія матеріалів
- •73000, Україна, м. Херсон, пров. Пугачова, 5/20
Аналіз діаграми стану сплавів системи залізо-цементит Мета роботи
1) Набути навичок читання діаграми стану залізо -цементит.
2) Навчитись будувати криві охолодження та нагрівання сплавів даної системи та визначати вміст фаз, їх концентрацію та їх кількісне співвідношення.
Теоретичні відомості
Діаграма стану залізо – цементит дає можливість встановити перетворення, що відбуваються при різних температурах в залізо-вуглецевих сплавах за умов повільного охолодження (рисунок 2.4).
За допомогою діаграми стану для будь-якого сплаву чи його компонента можна, зокрема, встановити:
а) наявність змін у будові сплаву при його нагріванні чи охолоджуванні;
б) назву фаз і структурних складових, а також кількість кожної з них при заданій температурі;
в) положення критичних точок;
г) режим термічної обробки сплавів тощо.
Засновником діаграми стану залізо-цементит є Д.К. Чернов, який у 1868 р. вперше відкрив критичні точки в сталі та їх положення залежно від вмісту в ній вуглецю та температури.
Основним компонентом залізовуглецевих сплавів є залізо – метал сріблясто-сірого кольору, який має густину 7,86 г/см3 і температуру плавлення 1539 ºС.
У твердому стані залізо може знаходитись у двох модифікаціях: α- Fe (ОЦК) і γ- Fe (ГЦК) . Модифікація α- Fe існує в інтервалі температур 0...911 ºС і від 1392 ºС до температури плавлення, γ- Fe – в інтервалі 911...1392 ºС.
До температури 768 ºС залізо є магнітним.
Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – розчини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.
Розчинність вуглецю, в α- Fe мала і залежить від температури та складає не більше 0,02 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в α- Fe називається феритом. Механічні властивості фази фериту: σв ≈ 300 МПа; δ ≈ 30 %; НВ800 МПа.
Розчинність вуглецю в γ- Fe залежить від температури і досягає 2,14 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в γ- Fe називається аустенітом і має низькі міцність і твердість; пластичний ( δ ≈ 60 %).
Залізо з вуглецем утворює також хімічну сполуку Fe3C (карбід заліза), яка називається цементитом. У ньому міститься 6,67 % C. Він має складну кристалічну решітку. Температура плавлення цементиту близько 1250 ºС. До температури нагрівання 217 ºС він є магнітним, має дуже високу твердість (НВ8000 МПа), майже нульову пластичність (δ ≈ 0 %).
Відрізняють: первинний, вторинний і третинний цементит. Первинний цементит (ЦІ) виділяється при кристалізації з рідкої фази, вторинний (ЦІІ) – при вторинній кристалізації з аустеніту, третинний (ЦІІІ) – при третинній кристалізації з фериту.
З діаграми стану (рисунок 2.4) видно, що первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, що визначаються на лініях ліквідусу (АВСД) і солідусу (АНІЕCF). Вторинна кристалізація викликана перетворенням заліза з однієї алотропної модифікації в іншу та зменшенням розчинності вуглецю в різних модифікаціях заліза.
Діаграма стану сплаву системи Fe – Fe3 C складається з кількох ділянок, утворених лініями діаграми. Кожна така ділянка характеризується певним структурним станом і відповідним вмістом вуглецю.
Сплав заліза з вуглецем містить одну чи дві фази, які, в свою чергу, у твердому стані утворюють структурні складові, а решта – структуру сплаву. Структурна складова – це елемент структури, що складається з однієї чи більше фаз. Структурними складовими є аустеніт, цементит, ферит, перліт, ледебурит, причому останні дві є двофазними, а решта – однофазними.
|
Рисунок 2.4 – Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит
Лінії діаграми відповідають положенню критичних точок, а останні, як відомо, – фазовим перетворюванням, тобто кристалізації чи плавленню.
Лінії ВС і СД – температури початку кристалізацій відповідно аустеніту (ВС) та первинного цементиту (СД). При виділенні кристалів аустеніту з рідкої фази її склад буде збагачуватись вуглецем і по мірі зниження температури змінюватись по лінії ВС (ліквідус).
Склад твердої фази (аустеніту) при цьому буде збагачуватись вуглецем і змінюватись по лінії ІЕ (солідус). При виділенні з рідкої фази кристалів первинного цементиту її склад буде збіднюватись вуглецем і змінюватись із зниженням температури по лінії СД (солідус).
Склад твердої фази (цементиту) при цьому буде постійним. При досягненні температури 1147 ºС склад рідкої фази для будь-якого сплаву, що знаходиться між точками Е і F буде відповідати точці С (4,43 % С). За цієї температури рідка фаза даного складу буде кристалізуватись з утворенням евтектичної механічної суміші, що складається з аустеніту складу точки Е і цементиту складу точки F. Ця евтектика називаються ледебуритом. Отже, лінія ЕСF відповідає температурі утворення ледебуриту; останній має високі твердість (НВ7000 МПа) і крихкість.
Лінії GS і SE означають температури початку вторинної кристалізації відповідно фериту (GS) і вторинного цементиту (SE) з аустеніту. Склад аустеніту при зниженні температури буде змінюватись: для сплавів, що лежать ліворуч від точки S1 – по лінії GS; для сплавів, що лежать праворуч від точки S1 – по лінії SE. При досягненні температури 723 ºС склад аустеніту буде відповідати точці S' (0,83 %). За цієї температури аустеніт складу точки S буде перетворюватись в евтектоїдну механічну суміш, що складається з фериту складу точки Р і цементиту складу точки К, яка називається перлітом. Отже, лінія РСК означає температуру утворення перліту. Перліт має такі механічні властивості: σв ≈ 900 МПа, δ ≈ 10%; НВ2000 МПа.
Лінія GP означає температуру кінця вторинної перекристалізації аустеніту у ферит.
При охолоджуванні залізовуглецевих сплавів нижче лінії РSК починається третинна перекристалізація, пов'язана із зменшенням розчинності вуглецю у фериті.
Лінія РQ означає температуру початку виділення третинного цементиту із фериту.
Послідовність виконання роботи
1 Використовуючи даний навчальний посібник, вивчити діаграму стану системи залізо-цементит, звернувши особливу увагу на:
- особливості побудови діаграми;
- фазові та структурні складові залізовуглецевих сплавів;
- температуру фазових перетворень;
- положення ліній і точок діаграми;
- перетворення в залізовуглецевих сплавах при охолоджуванні та нагріванні.
2 Визначити фазовий стан двох заданих сплавів за варіантом.
3 Вивчити перетворення, що відбуваються в двох заданих сплавах при змінюванні температури і побудувати для них, використовуючи правило фаз, відповідно криві охолодження та нагрівання.
4 Використовуючи правило відрізків, визначити за заданими температурами їх концентрацію та кількісне співвідношення.
Зміст звіту
Назва та мета роботи.
Накреслена в масштабі діаграма стану системи залізо - цементит.
Для вказаних відповідно варіанту сплавів визначені фазові стани для зазначених температур.
Побудовані з правого боку від діаграми крива охолодження для першого заданого сплаву та крива нагрівання для другого заданого сплаву. На кривій охолодження мають бути вказаними фазові стани, а на кривій нагрівання – назви структурних складових.
Визначення концентрації фаз в сплавах за заданою температурою та їх кількісного співвідношення.
Контрольні запитання
Поясніть особливості побудови діаграми стану системи залізо - цементит. Де вона застосовується?
Вкажіть характерні точки та лінії діаграми стану системи залізо - цементит. Поясніть, які перетворення відбуваються за цих температур.
Охарактеризуйте фазові та структурні складові діаграми стану залізовуглецевих сплавів.
Дайте визначення основних структурних (фазових) складових в системі залізо-вуглець.
Поясніть перетворення, які відбуваються в залізовуглецевих сплавах при їх нагріванні та охолодженні.
Охарактеризуйте сплав евтектики – ледебурит та евтектоїдної сталі – перліт.
Поясніть правило відрізків. Де воно застосовується?
В чому суть кривих охолодження металів і сплавів?
Приведіть методику побудови кривих охолодження та нагрівання металів і сплавів за допомогою діаграми стану сплавів.
Варіанти завдань до лабораторної роботи № 2
Таблиця 2.1 – Вихідні дані до варіантів завдань
Варіант |
Номер сплаву |
Вміст вуглецю в сплаві, % |
Задана початкова темпера-тура, ºС |
Примітка |
Варіант |
Номер сплаву |
Вміст вуглецю в сплаві, % |
Задана почат- кова темпера-тура, ºС |
Примітка |
|||
1 |
1 |
0,15 |
880 |
|
16 |
1 |
0,6 |
1100 |
|
|||
2 |
2,2 |
0 |
2 |
3,5 |
650 |
|||||||
2 |
1 |
0,02 |
690 |
|
17 |
1 |
0,7 |
723 |
кінець кристаліз. |
|||
2 |
2,3 |
50 |
2 |
3,6 |
700 |
|
||||||
|
|
|
||||||||||
3 |
1 |
0,01 |
1450 |
|
18 |
1 |
0,8 |
1450 |
|
|||
2 |
2,4 |
100 |
2 |
3,7 |
750 |
|||||||
4 |
1 |
0,1 |
800 |
|
19 |
1 |
0,9 |
750 |
|
|||
2 |
2,5 |
130 |
2 |
3,9 |
800 |
|||||||
5 |
1 |
0,15 |
1470 |
|
20 |
1 |
1,0 |
500 |
|
|||
2 |
2,6 |
200 |
2 |
3,9 |
850 |
|||||||
6 |
1 |
0,2 |
1250 |
|
21 |
1 |
1,2 |
740 |
|
|||
2 |
2,7 |
250 |
2 |
4,0 |
900 |
|||||||
7 |
1 |
0,25 |
1130 |
початок кристаліз. |
22 |
1 |
1,4 |
780 |
|
|||
2 |
2,8 |
300 |
|
2 |
4,1 |
950 |
||||||
8 |
1 |
0,3 |
1270 |
кінець кристаліз. |
23 |
1 |
1,4 |
1300 |
|
|||
2 |
2,9 |
350 |
|
2 |
3,8 |
100 |
||||||
9 |
1 |
0,35 |
900 |
|
24 |
1 |
1,6 |
723 |
початок кристаліз. |
|||
2 |
3,0 |
400 |
2 |
3,8 |
1050 |
|
||||||
10 |
1 |
0,4 |
870 |
|
25 |
1 |
4,5 |
1150 |
|
|||
2 |
3,1 |
450 |
2 |
3,3 |
1150 |
|||||||
11 |
1 |
0,45 |
1200 |
|
26 |
1 |
5,0 |
1000 |
|
|||
2 |
3,2 |
500 |
2 |
3,0 |
830 |
|||||||
12 |
1 |
0,5 |
950 |
|
27 |
1 |
6,0 |
800 |
|
|||
2 |
3,3 |
550 |
2 |
2,8 |
1020 |
|||||||
13 |
1 |
0,55 |
790 |
початок кристаліз. |
28 |
1 |
0,4 |
950 |
|
|||
2 |
3,4 |
600 |
|
2 |
6,5 |
600 |
|
|||||
14 |
1 |
0,45 |
840 |
|
29 |
1 |
0,6 |
1000 |
|
|||
2 |
2,4 |
250 |
2 |
5,0 |
500 |
|||||||
15 |
1 |
0,35 |
920 |
|
30 |
1 |
0,7 |
850 |
|
|||
2 |
4,8 |
920 |
2 |
4,4 |
600 |
Лабораторна робота № 3