Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Железо-цементит, изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталейЦель 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. В местах пересечения с лилиями диаграммы отмечаем критические точки 1, 2, 3, 4 (рис. 2) и проектируем па ось температур координатной системы «температура—время». При построении схематической кривой следует руководствоваться соображением, что при наличии в системе процессов, сопровождающихся выделением тепла, температура понижается медленнее при одновариантном равновесии или будет температурная остановка при безвариантном состоянии. Температура понижается быстрее, если в системе не происходит процесс с выделением тепла. В нашем примере (рис. 2) охлаждение жидкого сплава происходит быстро, в процессе кристаллизации будет замедление охлаждения, т. к. тепло кристаллизации в течение длительного времени частично компенсирует теплоотдачу в окружающую среду. После окончания кристаллизации скорость охлаждения увеличивается, температура снова будет понижаться быстро. При выделении вторичной фазы из твердого раствора охлаждение замедляется, но не так сильно, как при кристаллизации из жидкого сплава. При эвтектическом, эвтектоидном и перитектическом превращениях в двухкомпонентной системе должны быть температурные остановки. Углы наклона отдельных участков в кривой охлаждения должны быть в следующей зависимости: φж→m< φm→m< φm где φж→m — угол наклона участка кривой охлаждения, соответствующего одновариантному равновесию между твердой и жидкой фазами; φm→m — угол наклона участка, соответствующего одновариантному равновесию между двумя твердыми фазами (скрытая теплота кристаллизации меньше, чем в предыдущем случае); φm — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию жидкой фазы (происходит только остывание сплава без кристаллизации со скоростью, большей, чем б первых случаях)»т — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию твердой фазы (остывание твердой фазы протекает интенсивнее, чем жидкий, т. е. теплоемкость первой меньше теплоемкости второй).
Рис.2 Построение схематической кривой охлаждения по диаграмме состояния
Правильность построения кривой охлаждения проверяется определением вариантности по правилу фаз. Для рассмотренного выше заэвтектоидного сплава превращения, происходящие при охлаждении, можно записать так: с понижением температуры до т. 1—охлаждение жидкой фазы тт. 1—2 , две фазы, число степеней свободы С= 1, идет процесс кристаллизации с понижением температуры; тт. 2 — 3 фазовых превращений нет, идет охлаждение аустенита, фаза одна, число степеней свободы С= 2; тт. 3 — 4 две фазы, число степеней свободы С= 1; т. 4 три фазы, число степеней свободы С=0. Кристаллизация перлита происходит при постоянной температуре, это эвтектоидное превращение. Структура сплава при температурах ниже точки 4 будет состоять из цементита вторичного и перлита. Структура и классификация углеродистых сталей Стали по структуре делят на: - доэвтектоидные (до 0,8%С) - Ф+П; - эвтектоидные (0,8 %С) - П; - заэвтектондные (0,8-2,14%С) – П+ЦII.
´ 135 ´ 135 ´ 135 Сталь 05 Сталь 20 Сталь 40 (0,05%С) (0,2%С) (0,4%С)
´ 135 ´ 135 Сталь У8 Сталь У12 (0,8%С) (1,2%С) Рис. 3 Микроструктуры сталей Зависимость твердости углеродистых сталей от их структуры в равновесном состоянии Структура углеродистой стали состоит из феррита и цементита. Согласно закону Курнакова, изменение свойств-сплавов смесей, в зависимости от их состава имеет прямолинейный характер, следовательно, твердость углеродистой стали будет изменяться по закону прямой линии в зависимости от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость. Структура углеродистых сталей в равновесном состоянии (медленно охлажденных) зависит от их состава (содержания углерода), а свойства сталей—от их структуры. Получается цепь причинно-следственной связи «состав—структура—свойства». В эту цепь входит еще одно звено—технологический процесс, с помощью которого при одинаковом составе сплава можно получать различные структуры, так что полная цепь исследуемых в металловедении зависимостей описывается схемой: состав—технологический процессе— структура—свойства. При изменении твердости доэвтектоидных сталей наблюдается прямолинейное изменение ее от твердости, феррита к твердости перлита пропорционально их соотношению к структуре. Для эвтектоидных сталей по величине твердости можно определить примерно прочность сталей: σв= 0,35 НВ. Для заэвтектоидных сталей эта зависимость несправедлива: твердость сталей повышается, а предел прочности падает из-за охрупчивания ее сеткой цементита вторичного по границам перлитных зерен. Задание 1 Необходимо замерить твердость сталей с различным содержанием углерода и результаты замеров занести в таблицу 1.
Таблица 1 Химический состав и механические свойства углеродистых сталей Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей Сталь можно классифицировать: по назначению - на конструкционную, содержащую до 0,7% углерода, - на инструментальную с содержанием углерода более 0,7%; по качеству - обыкновенного качества (ГОСТ 380-71); - качественную (ГОСТ 1050-74); - высококачественную (ТУ 14-1-196-73).
Сталь обыкновенного качества делится на три группы: группа А поставляется по механическим свойствам Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, вт 5, Ст 6; группа Б — по химическому составу БСтО, БСт 1, БСт 2, БСт,4, БСг 4, БСт 5, ЬСт 6. группа В — по механическим свойствам и химическому составу ВСт 1, ВСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5. Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготовляют: - кипящей (КП), раскисленной Mn; -полуспокойной (ПС), раскисленной Mn и Аl; - спокойной (СП), раскисленной Mn, Аl и Si
Сномерами 5 и 6—полуспокойной и спокойной. Полуспокойная сталь с номерами марок 1—5 производится с обычным и повышенным содержанием марганца. В обозначении марок стали с повышенным содержанием марганца ставят букву Г, например: Ст ЗГпс, ВСг ЗГпс. Стали обыкновенного качества наиболее дешевые получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от инородных примесей и содержат больше серы и фосфора. Из них изготовляют горячекатаный прокат: балки, прутки, шнеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Широко применяют также для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций. Сталь углеродистая конструкционная качественная. (ГОСТ 1050-74). От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (<0,04%), фосфора(< 0,035—0,04%) и меньшим количеством неметаллических включений. Качественные конструкционные стали маркируются двухзначными числами, которые показывают содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 05 - 0,05 %С, сталь 08 – 0,08%С, сталь 10 – 0,1%С, сталь 15 – 0,15%С и т. д. до сталь 85 – 0,85%С. Низкоуглеродистые стали могут быть спокойными или кипящими. Кипящая сталь имеет в конце марки букву кп. Если в стали содержание марганца 0,7 4- 1 %, то в конце марки ставят букву Г, например, сталь 15Г. Сталь, изготовляется горячекатаной калиброванной, которая отличается пониженным содержанием вредных примесей (серы до 0,015%, фосфора до 0,025%). Стали марок 20-СШ, 25-СШ, 45-СШ выплавляются с обработкой синтетическими шлаками в ковше. Из конструкционных низкоуглеродистых (до 0,3%) качественных сталей изготавливают кулачковые валики, оси, втулки, шестерни (штамповкой, сваркой, обработкой резанием); из среднеуглеродистых сталей (0,3—0,55%С) — валы, шатуны, шестерни, работающие при больших нагрузках.
Высокоуглеродистые стали (0,6— 0,85%С) используют для изготовления деталей, от которых требуются в процессе эксплуатации прочность, износостойкость, высокие упругие свойства. Сталь инструментальная углеродистая (ГОСТ 1435-74). В зависимости от химического состава стали делятся на группы: качественные У7, У8...У13; высококачественные У7А, У8А...У13А; стали с повышенной массовой долей марганца У8Г, У8ГА, Высококачественные стали более чистые по содержанию серы, фосфора, неметаллических включении, В обозначении марок стали буква «У» обозначает углеродистая, а цифра за ней—среднее содержание углерода в десятых долях процента. Стали этой группы используются для изготовления зубил, кузнечных штампов, клейм (У7) матриц, пуансонов (У8), сверл, метчиков, разверток (У9, У10). мерительного инструмента (У12, У13). Область применения определяется следующими свойствами: стали У7, У7А имеют достаточную твердость при умеренной вязкости и могут использоваться для инструментов, подвергающихся ударам; с увеличением содержания углерода в сталях твердость и износостойкость возрастают, а вязкость снижается, поэтому изделия не дол лены испытывать ударных нагрузок.
Задание2. Вычертить диаграмму Fe-Fe3C и построить кривую охлаждения для сплава заданной концентрации
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
|