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

84 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

60687. ШЕСТАЯ БОЖЬЯ ЗАПОВЕДЬ – НЕ УБИЙ 1.99 MB
  Однажды к Иисусу Христу подошел молодой человек и спросил: «Учитель что мне делать, чтобы наследовать царство Божие?» - Иисус ответил: «Всё чему учат заповеди, содержат в себе обязанности любви к Богу и любви к ближним».