20757

Изучение диаграммы состояния сплавов системы железо-углерод

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Содержание углерода в цементите составляет 667. Графит одна из двух алмаз графит кристаллических модификаций углерода. Ординаты между ними двойным сплавам общее содержание железа и углерода в которых равно 100. В системе FeFe3C возможны жидкая Ж фаза представляющая собой жидкий раствор железа и углерода и четыре твердые: δ феррит γ аустенит α феррит и Fe3C.

Русский

2013-07-31

106.72 KB

87 чел.

Практическая работа №1

Изучение диаграммы состояния сплавов системы

железо-углерод

Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве, определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

Общие сведения

Важнейшими материалами в различных отраслях техники являются железоуглеродистые сплавы: техническое железо, стали

и чугуны. Основа для изучения процессов формирования их структура-диаграмма состояния системы Fe-C.

Структура сплава определяет его свойства. Важно знать, какие фазы и структуры формируются в сплавах в зависимости от их состава и температуры обработки. Необходимо уметь управлять процессом структорообразования для достижения требуемых свойств сплавов.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, который может находиться в сплавах в химически связанном состоянии в виде цементита Fе3C (Ц), или в свободном состоянии в виде графита (Г).

Железо плавится при 1539°С, обладает температурным полиморфизмом, т.е. в зависимости от температуры имеет различное кристаллическое строение, его плотность 7,86 т/м3.

Рис.1.9. Кристаллическая

структура железа:  

а —объемноцентрированная кубическая

(ОЦК) ячейка;

б —гранецснтрированная

кубическая (ГЦК) ячейка

При кристаллизации (1539°С) образуется 5-Fe, кристаллическая решетка которого описывается объемно-центрированной кубической (ОЦК) ячейкой (рис. 1.9), длина ребра куба (параметр ячейки) а = 0,293 нм (при 1425°С). Железо 8 существует в интервале температур 1539-1392°С. При 1392°С вместо решетки 5-Fe (ОЦК) путем перегруппировки атомов образуется γ-Fe с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (рис.1.9). Такая решетка имеет ячейку с ребром куба длиной а = 0,365 нм (при 950°С); плотность γ-Fe (8,0-8,1) т/м3. Оно устойчиво в температурном интервале 1392-910°С. При 910°С γ-Fe переходит в α-Fe, имеющее ОЦК решетку с параметром ячейки а = 0,286 нм (при 20°С), устойчивое при температурах от 910°С вплоть до температуры абсолютного нуля.

Железо а в зависимости от температуры может находиться в различных магнитных состояниях. При температуре выше 768°С (768-910°С) α-Fe, так же как δ-Fe и γ-Fe —парамагнетик, ниже 768°С —ферромагнетик. Температура 768°С (точка Кюри) является температурой перехода α-Fe из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении железа и наоборот —при его нагреве.

Железо с содержанием примесей 0,01-0,1% имеет следующие свойства: твердость по Бринеллю 70-80 IIB; временное сопротивление σв = 200-250 МПа; относительное удлинение δ=50- 55%; ударная вязкость КСU +20 = 22 0-2 50 кДж/м2.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3C). Содержание углерода в цементите составляет 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 1.10, а). До температуры 210°С цементит ферро- магнитен. Он обладает высокой твердостью, порядка 750-800 НВ, и нулевой пластичностью. Температура плавления равна 1250°С.

Графит — одна из двух (алмаз, графит) кристаллических модификаций углерода. Он имеет гексагональную решетку (рис. 1.1 0, п). Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,335 нм.

Рис.1.10. Кристаллические структуры

цементита (а) и графита (б)

Связь между атомами в слоях прочная, ковалентного типа, между слоями — молекулярная (прочность связи значительно ниже). Температура плавления графита 3850°С. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В железоуглеродистых сплавах графит, в отличие от цементита, является стабильной фазой. Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание этих

элементов, получают сплавы с различными структурами и свойствами. В случае, когда высокоуглеродистой фазой является цементит, фазовое состояние сплавов описывается диаграммой ме- тастабильного (временно-устойчивого) равновесия системы Fe- Fe 3C (сплошные линии). Если же вместо цементита кристаллизуется графит, рассматривается диаграмма стабильного равновесия системы Fe-C (пунктирные линии) (рис. 1.11).

На диаграмме метастабильного равновесия крайние ординаты соответствуют чистым компонентам: GNA — железу, KFD — цементиту. Ординаты между ними — двойным сплавам, общее содержание железа и углерода в которых равно 100%. Линия ABCD называется линией ликвидус, AHJECF солидус.

В системе Fe-Fe3C возможны жидкая (Ж) фаза, представляющая собой жидкий раствор железа и углерода, и четыре твердые: δ — феррит, γ — аустенит, α — феррит и Fe3C. Феррит (Ф, 8- или а-раствор) — твердый раствор внедрения углерода в δ-Fe или α-Fe с ОЦК решеткой. Аустенит (А, γ-раствор) — твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe с ГЦК решеткой.

Затвердевание сплавов, содержащих до 0,5% С, начинается с образования S-феррита по реакции ЖАВ —> δАН (рис. 1.11). Характер дальнейшей кристаллизации сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, содержащие до 0,1% С, полностью затвердевают в интервале температур, соответствующих линиям АВ и АН с образованием однофазной структуры 5-феррита. Этой структуре соответствует область диаграммы, лежащая левее линии AHN.

Сплавы с 0,1...0,5% С кристаллизуются несколько сложнее. После выделения из жидкости определенного количества 5- феррита при 1499°С (изотерма HJB) они испытывают перитек- тическое превращение:

В перитектическом сплаве, содержащем 0,16% С (J), обе исходные фазы (Ж + δ), взаимодействуя между собой при перитектическом превращении, без остатка расходуются на образование у-твердого раствора. После этого сплав приобретает однофазную структуру — аустенит. В доперитектических сплавах, содержащих от 0,1 (Н) до 0,16% С (J), после рассматриваемой реакции остается в избытке определенная доля 8-феррита, который при дальнейшем охлаждении сплавов (в результате перестройки решетки ОЦК в ГЦК) в интервале температур, соответствующих линиям HN и JN, превращается в аустенит: Заперитектические сплавы окончательно затвердевают в интервале температур ликвидус (ВС) — солидус (JE), при которых избыточная жидкость, оставшаяся от перитек- тического превращения, кристаллизуется в аустенит: Ж ВС —> A JE  Этой реакцией описывается также процесс затвердевания сплавов с содержанием углерода 0,5...2,14%.

Таким образом, все сплавы, содержащие менее 2,14% С, после первичной кристаллизации приобретают однофазную структуру — аустенит, сохраняющуюся при охлаждении до температур, соответствующих линии GSE. При дальнейшем охлаждении происходит перекристаллизация аустенита, в результате чего формируется окончательная структура сплавов.

В группе сплавов, содержащих от 2,14 (Е) до 6,67% С (F), имеется эвтектический сплав с 4,3% С (С), который при 1147°С (изотерма ECF), будучи предельно насыщенным одновременно углеродом и железом, кристаллизуется по эвтектической реакции:

Образующаяся эвтектическая смесь двух фаз А + Ц называется ледебуритом (при данном фазовом составе —ледебурит аустенитный).

Рис.1.11. Диаграмма метастабильного (сплошная линия) и стабильного (пунктир) равновесия железоуглеродистых сплавов (а) и кривая охлождения сплава,  содержащего 0,4% С (б)

 

Сплавы доэвтектические 2,14 (Е) — 4,3% С (Е-С) и заэвтектические 4,3-6,67%» С (C-F) кристаллизуются в два этапа. На первом в интервале температур ликвидус —солидус BCD-ECF из жидкой фазы выделяются первичные кристаллы: в доэвтектиче- ских —А, в заэвтектических —Ц1. На втором этапе оставшаяся жидкость затвердевает с образованием эвтектики. В результате после первичной кристаллизации доэвтектические сплавы имеют структуру А + Л(А + Ц), заэвтектические — Ц1 + Л.

Линия AHN (рис. 1.11) показывает пределы растворимости углерода в 5-Fe, линия GPQ — в α-Fe; 0,02% С при 727°С (Р), 0,01% С при 600°С (Q), 10-7% С при 20°С. Феррит левее линии GPQ является ненасыщенным твердым раствором, на CSPQ он предельно насыщен. При охлаждении сплавов, расположенных на диаграмме правее PQ, ниже 727°С из феррита, вследствие его пересыщения, выделяется углерод, что приводит к формированию цементита третичного111) в виде сетки по границам зерен феррита. Если же в структуре сплавов (0,02-6,67%)С) уже есть цементит, то Цщ наслаивается на него и металлографическим методом не обнаруживается.

Линия ES показывает пределы насыщения аустенита углеродом в зависимости от температуры сплава. Растворимость углерода максимальна при 1147°С; (Е) —2,14%. С понижением температуры она уменьшается до 0,8% при 727°С (S). В результате аустенит' в сплавах правее линии ES оказывается пересыщенным твердым раствором и из него выделяется углерод, который идет на образование цементита вторичного11). В сталях Ц11 формируется обычно в виде сетки по границам зерен аустенита, в чугунах чаще всего выделяется на цементите ледебурита.

В охлаждающихся сплавах, содержащих менее 0,8%) С, превращение аустенита в феррит начинается не при 910°С (G), как в безуглеродистом железе, а при температурах, соответствующих линии GS. Это превращение из-за различной растворимости углерода в феррите (GP) и аустените (ES) сопровождается диффузионным перераспределением углерода между ними. Поэтому перестройка решеток протекает в интервале температур GS-GP. Область PGS является областью двухфазной структуры, в ней феррит находится в равновесии с аустенитом.

В охлаждающихся сплавах, расположенных между точками Р и S, по мере образования феррита в указанном интервале температур аустенит обогащается углеродом (GS). При 727°С содержание углерода в аустените на заключительном этапе достигает 0,8% (S), решетка γ-Fe (ГЦК) теряет устойчивость, и перестраивается в решетку α-Fe (ОЦК), в котором при 727°С растворяется только 0,02% С (Р).

Полиморфное превращение  

сопровождается выделением углерода из раствора и образованием цементита:

Это трехфазное превращение, обусловленное полиморфизмом железа и протекающее при 727°С, называется эвтектоидным. В отличие от трехфазного эвтектического превращения при эвтектоидном исходной фазой является не жидкий, а твердый раствор (в данном случае аустенит). Выделяющаяся из твердого раствора смесь фаз, число которых равно числу компонентов системы, называется эвтектоидом. Структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, образующаяся в результате распада аустенита и состоящая из чередующихся пластинок двух фаз — феррита и цементита, называется перлитом (П). Температура образования перлита соответствует критической температуре A1.

На диаграмме метастабильного равновесия (рис. 1.11) точке Ai соответствует линия PSK (727°С). Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах, содержащих более 0,02% углерода (Р), т.е. в сталях и чугунах. Поэтому в чугунах ледебурит аустенит- ный при эвтектоидной температуре (727°С) видоизменяется, ста-

727°С

новясь ледебуритом перлитным, JI(A + Ц) —727°С > Л(П + Ц).

Строение окончательно сформировавшейся структуры железоуглеродистых сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, имеют структуры Ф + Ц111 и называются техническим железом.

Сплавы с содержанием углерода 0,02-2,14%, в структуре которых присутствует перлит, называются сталями. Стали делятся на доэвтектоидные (С = 0,02-0,8%, структура Ф + П); эвтектоидные (С = 0,8%, структура перлит); заэвтектоидные (С = 0,8- 2,14%, структура П + Ц11)-

Сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67% С, в структуре которых присутствует определенная доля эвтектики —ледебурит, называются белыми чугунами. Они подразделяются на доэвтектические (С = 2,14-4,3%, структура П + JI); эвтектические (С = 4,3%), структура ледебурит); заэвтектические (С > 4,3%, структура Ц1 + Л).

О фазовых превращениях, происходящих в сплавах, можно судить по кривым их охлаждения или нагревания. В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлаждаемой стали с 0,4% С (рис.1.11, б). Выше температуры сталь находится в жидком состоянии и непрерывно охлаждается. В интервале t1t2 из жидкой фазы, состав которой изменяется по ликвидусу АВ, выпадают кристаллы S-феррита. При температуре t2 происходит трехфазное перитектическое превращение.

Жидкость состава В взаимодействует с ранее выпавшими кристаллами δ-феррита состава Н. В результате образуется новая твердая фаза —аустенит состава J: ЖB Ht2 >  A J .

Избыточная жидкость кристаллизуется при непрерывном охлаждении в интервале температур t2t3 с образованием аустенита. В интервале t3t4 закристаллизовавшийся сплав, имеющий структуру А, непрерывно охлаждается. При температурах t4t5 ГЦК перестраивается в ОЦК решетку, т.е. аустенит, состав которого изменяется по линии GS, превращается в феррит (по GP). По мере превращения массовая доля аустенита уменьшается, содержание же углерода в нем увеличивается.

При t5 происходит трехфазное эвтектоидное превращение

 когда из аустенита, не превращенного в феррит, образуется перлит (Ф + Ц). В процессе дальнейшего охлаждения сплава из феррита выделяется Ц111, наслаивающийся на цементите перлитном. Структура охлаждающейся стали при температурах ниже t5 —Ф + П.

Порядок проведения работы

  1.  Описать фазы и структурные составляющие сплавов, указать их в областях диаграммы.
  2.  Записать и объяснить реакции образования фаз и структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах согласно диаграмме состояния.
  3.  Построить и проанализировать кривую охлаждения (нагрева) сплава, заданного преподавателем.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74053. Основы химической термодинамики. Первый закон термодинамики. Энтальпия 14.81 KB
  Основы химической термодинамики. Первый закон термодинамики. Химическая термодинамика раздел физической химии изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики. Основными направлениями химической термодинамики являются: Классическая химическая термодинамика изучающая термодинамическое равновесие вообще.
74055. Фазовые равновесия и учение о растворах. 181.37 KB
  Растворы бывают газовыми жидкими твердыми. Такие растворы называются иначе истинными. Газообразные растворы называются иначе газовыми смесями. Образуются твердые растворы при кристаллизации расплавов.
74057. Классификация коллоидных систем. Устойчивость коллоидных систем 15.3 KB
  Коллоидные системы дисперсные системы промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами взвесями в которых дискретные частицы капли или пузырьки дисперсной фазы имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 100 нм распределены в дисперсионной среде обычно непрерывной отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. В свободнодисперсных коллоидных системах дымы золи частицы не выпадают в осадок. Основные виды : дым взвесь твёрдых частиц в газе. туман взвесь жидких частиц в газе.
74058. Классификация дисперсных систем. Понятие о дисперсной фазе и дисперсной среде 37.77 KB
  Дисперсная система это образования из двух или более числа фаз тел которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ дисперсная фаза мелко распределено во втором дисперсионная среда. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды в которой находится дисперсная фаза. Дисперсная фаза далее Д совокупность мелких однородных твердых частиц капелек жидкости или пузырьков газа равномерно распределенных в окружающей дисперсионной среде.
74059. Виды выражений концентраций растворов 14.71 KB
  Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества молярную и нормальную концентрацию. Массовая доля растворённого вещества wB это безразмерная величина равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора...
74060. Изохорная и изобарная теплота процесса. Закон Гесса 14.22 KB
  При изохорном процессе V=const изменение объема dV=0 поэтому работа газа = 0. При изобарном процессе p=const изменяется температура газа и изменяется объем газа поэтому изменение внутренней энергии газа и работы не равно нулю. Q = dU Подведенное количество теплоты при изобарном процессе расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы над внешними телами. Иными словами количество теплоты выделяющееся или поглощающееся при какомлибо процессе всегда одно и то же независимо от того протекает ли данное химическое...
74061. Основы химической кинетики. Кинетика гомогенных процессов, закон действия масс 23.06 KB
  Скорость химической реакции – изменение концентрации одного из участвующих в реакции веществ. При увеличении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 24 раза закон ВантГоффа. Также скорость реакции увеличивается с повышением концентрации вещества. Кинетика гомогенных процессов: В гомогенном химическом процессе все реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одной фазе где протекает реакция.