РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

по курсу “Материаловедение”

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)

Цель работы. Изучение диаграммы состояния Fe-C, влияния состава сплава на его структуру и свойства. Освоение методов фазового анализа.

Общие сведения. В технике наиболее широко применяются железоуглеродистые сплавы, поэтому самое большое значение среди диаграмм состояния имеет диаграмма состояния железо-углерод (цементит).

Имеется два варианта диаграммы состояния Fe-C: стабильная и метастабильная. Диаграмма состояния, показанная на рис.1, является диаграммой метастабильного равновесия, характеризующего превращения в системе железо-карбид железа. Стабильная диаграмма состояния характеризует превращения в система железо-графит. Особенностью диаграммы является двойная шкала по оси абсцисс, отражающая содержание углерода и цементита.

Структурный фазовый состав системы, указанный по диаграмме, соответствует действительному составу только при бесконечно медленных изменениях температуры. В зависимости от скорости изменения температуры линии фазовых превращений сдвигаются на некоторую величину переохлаждения или перенагрева, необходимую для переструктурирования системы при данной скорости изменения температуры.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз).

ФЕРРИТ (сокращенно обозначают Ф или a)- твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку. Максимальная растворимость углерода в феррите при 727°С составляет 0,02% С, при комнатной температуре предельная растворимость С всего 0,006%. Феррит ниже точки Кюри (линия МО при 758°С) магнитен, на диаграмме занимает области GPQ и AHJ (низкотемпературный и высокотемпературный феррит, соответственно).

АУСТЕНИТ (сокращенно А или g)- твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Предел растворимость углерода в g-железе при температуре 1147°С равна 2,14%. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния занимает область AESG. Он имеет твердость НВ 160 при пластичности 40-50%.

ЦЕМЕНТИТ (Fе₃С или Ц)- химическое соединение железа с углеродом Fе₃С (карбид железа), содержит 6,67% С. Цементит метастабилен: при высоких температурах распадается на более стабильные железо и чистый графит, поэтому температуру его плавления точно установить на сегодня невозможно, наиболее совершенный эксперимент с лазерным нагревом дал значение 1260°С.

Цементит обладает высокой твердостью >НВ 800 и очень низкой пластичностью, ниже 210°С магнитен.

В зависимости от условий образования различают цементит первичный Fе₃С_I который образуется из жидкого расплава при его затвердевании; вторичный Fе₃С_II, образующийся при распаде аустенита; третичный Fе₃С_III- при выделении углерода из феррита.

ГРАФИТ- представляет собой чистый углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства железоуглеродистых сплавов.

ПЕРЛИТ - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83%С, образуется при 727°С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения:

g-Fe(C) — a-Fe(C) + Fe₃C

Перлит чаще всего бывает пластинчатым, но может быть и зернистым. Это определяет его механические свойства: пластинчатый перлит имеет прочность s_в= 800-900 МПа, пластичность d <16%, твердость НВ 180-220; у зернистого s_в = 800 Мпа, d =15%, НВ 160-200.

Перлит и ледебурит, а также более мелкозернистые сорбит, троостит рассматриваются чаще как двухфазные структурные составляющие.

Кроме этого, в железоуглеродистых сплавах обычно имеются еще различные неметаллические включения - химические соединения железа с кислородом, азотом, серой, фосфором и др.

Превращения в сплавах железо-цементит. Точка А - температура плавления чистого железа (0% С), точка D - плавление цементита. В точке С образуется эвтектика (ледебурит). Точка Е показывает максимальную растворимость углерода в аустените при 1147°С, она принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали (до 2,14%С) и чугуны (содержание углерода выше 2,14%).

Линия ABCD - линия ликвидус (выше ликвидуса существует только жидкая фаза) показывает начало первичной кристаллизации: по линии АВ из жидкости начинает кристаллизовываться высокотемпературный феррит, по линии ВС - аустенит, а по линии CD кристаллизуется первичный цементит. В области ABJH существует жидкий раствор и кристаллы феррита, в области BCEJ - жидкая фаза + аустенит, а в CDF - жидкость + первичный цементит.

Линия AHJECF - линия солидус (ниже солидуса существует только твердая фаза) показывает конец первичной кристаллизации. Она также является началом вторичной кристаллизации (перекристаллизации), характерной для твердой фазы. Прямая ECF называется линией эвтектических превращений.

Аллотропия (полиморфизм) железа определяет превращения в сталях при их охлаждении от аустенитного состояния. Точка G диаграммы соответствует температуре аллотропического превращения чистого железа (911°С). С повышением содержания углерода до 0,8% температура аллотропического превращения аустенита в феррит, постепенно снижаясь, достигает 727°С. Линия GS - начало, линия GP - конец превращения аустенита в феррит, поэтому область GPQ характеризует феррит.

В точке S (с концентрацией 0,8%С и температурой 727°С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь, называемая перлитом. Поэтому прямая PSK называется прямой эвтектоидных превращений. В области GSP существует аустенит и феррит, а в области QPS - перлит + феррит.

Таблица 1. Характерные точки диаграммы состояния системы железо - цементит

Точки аллотропических переходов называют также критическими точками и обозначают буквой А с индексом r, если точка находится на кривой охлаждения, и с - на кривой нагрева. При индексах r и с ставится цифра, указывающая положение рассматриваемой точки на линиях.

Линия GS поэтому называют также линией верхних критических точек А_с3, А_r3. Прямая РSК является геометрическим местом нижних критических точек A_с1 и A_r1.

Линия SE является линией ограниченной растворимости углерода в аустените: со снижением температуры растворимость падает с 2,14% до 0,8%. В связи с этим в сплавах при охлаждении избыточный углерод выпадает из аустенита в виде карбида железа Fе₃С. Поэтому в области SEE' существуют аустенит и вторичный цементит. Кривая SE также является геометрическим местом точек A_cm и A_rm. В области 0,8 SE' 2,14 существуют перлит и цементит.

В чугунах и первичный аустенит, и аустенит в составе эвтектики к концу кристаллизации содержат максимально возможное содержание углерода (2,14% С). Со снижением температуры до 1147°С и ниже линии SE избыточный углерод выпадает из аустенита в виде вторичного цементита. Поэтому в области ЕСС'E' существуют аустенит + ледебурит + вторичный цементит, а в oбласти CFKC' - ледебурит + вторичный цементит. По прямой PSK в чугунах аустенит характеризуется перлитным превращением. Отсюда в области 2,14 Е'С' 4,3 существуют перлит + ледебурит + вторичный цементит, а в области 4,3 С'К 6,67 - ледебурит + первичный цементит.

Следует отметить, что линия GPSK является концом вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов.

Структура различных классов сталей и чугунов. В зависимости от содержания углерода стали делят на доэвтектоидные (С < 0,8%) (их также можно назвать конструкционными), эвтектоидные (С = 0,8%) и заэвтектоидные (С > 0,8%), последние две группы относят к инструментальным сталям.

Технически чистое железо содержит углерод не более 0,01%. Его структура - почти чистый феррит (рис. 2а.).

Структура дозвтектоидных сталей состоит из феррита (светлые участки) и перлита (рис. 2б). Перлит, представляющий собой мелкодисперсную двухфазную смесь, при травлении разъедается кислотой неравномерно по глубине (рис. 2г). При рассматривании в металлографический микроскоп более глубокие "язвы" в перлите оказываются в тени, и в сравнению с другими однородными фазами, отсвечивающими по всей площади, перлит кажется темнее.

Структура эвтектоидной стали - перлит (рис. 2в), а заэвтектоидных - перлит и цементит (светлые участки в виде сетки или игл) (рис. 2д).

У чугунов без графита излом имеет матово-белый цвет, поэтому их называют белыми чугунами в противоположность серым чугунам, у которых часть углерода выделилась в виде включений графита. В белых чугунах весь углерод связан в твердых растворах и химических соединениях. Структура доэвтектических белых чугунов состоит из перлита, ледебурита и цементита (рис. 2е). Структура эвтектического чугуна - ледебурит (рис. 2ж), заэвтектических чугунов - ледебурит + первичный цементит (рис. 2з).

МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

Постоение кривых охлаждения по диаграммам состояния.

Диаграммы состояния строятся по экспериментально полученным данным, чаще всего по ходу кривых нагрева или охлаждения (что проще с методической стороны) сплава. При фазовых переходах меняется скорость изменения температуры. Так, при кристаллизации чистого вещества наблюдается временная задержка скорости изменения температуры, кривая «выдает» горизонтальную полочку (рис. 3.1), пока не израсходуется запас энтальпии плавления.

Подобная горизонтальная полочка наблюдается и при эвтектических превращениях многокомпонентных систем. При охлаждении системы Fe-C с 4,3% углерода, пока не закристаллизуется вся масса эвтектики - ледебурита, кривая охлаждения будет стоять на отметке 1147˚С.

При кристаллизации неэвтектических составов идет постепенное превращение жидкости в кристаллы. При этом скорость охлаждения немного упадет, на кривой отмечаются перегибы (рис. 3.2) при прохождении линий ликвидуса и солидуса при данном соотношении компонент.

По этим точкам перегибов и строятся диаграммы состояния. Так что задача построения хода кривой охлаждения по готовой диаграмме состояния будет обратной задачей, интересной только с методической стороны

* По оси ординат отложен логарифм времени, при этом кривая превращается в ломаную, состоящую из прямых отрезков. Если по оси Х стояла бы прямая величина времени, ниспадающие участки кривой должны были быть экспонентами.

Таким образом, например для содержания углерода в железе 2,5% можно будет указать подобный ход кривой (рис. 3.4) Значение точки перехода через ликвидус получаем графически на своих построенных диаграммах. Ход кривой охлаждения рисуем отдельным рисунком.

Правила определения количественного соотношения фаз.

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется с помощью довольно простых правил, применение которых рассмотрим на примере.

Задача: Пусть требуется определить фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 2% при: а)комнатной температуре; б)при 800°С.

Решение: а)С химической точки зрения в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре имеются только две фазы: феррита и цементита (карбида железа Fе₃С), в то время как при 800°С кроме феррита и цементита может существовать еще фаза аустенита.

При комнатной температуре, когда отсутствует аустенит, фазовый состав сплава можно определить прямо по второй шкале абсцисс: так 2%С соответствует содержанию карбида железа 30%. остальное феррит (70%).

Подобный метод решения вопроса по координатам точек на диаграмме называется правилом определения фаз (правило концентраций).

б) В случае других температур вторая шкала абсцисс не отражает действительного соотношения фаз и не должна применяться.

В данном случае применяем правило отрезков. Оно позволяет на основе диаграмм состояния определять для любого сплава при любой температуре относительное количество присутствующих в нем фаз или структурных элементов и определять количественный состав каждого из них, т. е. производить не только качественный, но и количественный анализ сплавов. Для этого, согласно правилу отрезков, через определенную точку (рис. 4), отвечающую данному сплаву, проводят на уровне заданной температуры (800°С) горизонталь (так называемую коноду)

При 800°С сплав с данной концентрацией попадает в область CEE' (точка y). По начерченной нами коноде, опуская перпендикуляр из точки x пересечения ее с линией аустенитного превращения (линия SE) находим, что предел растворимости углерода в аустените при 800°С приблизительно равна 1%. Таким образом, содержание аустенитной фазы будет уменьшаться со 100% при содержании углерода 1% до 0% при содержании углерода 6,67%, когда весь сплав будет состоять только из цементита. При промежуточном содержании С фазовый состав линейно изменяется: постепенно падает содержание аустенита со 100% до нуля, а концентрация цементита растет с 0 до 100%.

Для определения содержания цементита С_Ц согласно правилу отрезков используем выражение:

(1)

где xy и xz - длины отрезков, определяемые по шкале содержания углерода. Учитывая что

xy=2-1=1, xz= 6,67-1=5,67 находим содержание цементита:

Длины отрезков, соответствующие фазам, следует брать в направлении, обратном расположению фаз на диаграмме.

Содержание аустенита находим из:

С_A = 100% - С_Ц (2)

Вычислим:

С_A = 100-17,64=82,36%

Указания по выполнению работы:

1. Самостоятельно проработать, т.е. сделать конспект прилагаемого теоретического материала, а также указанной ниже литературы, и уяснить учебные вопросы по данной теме.

В конспекте на целой странице аккуратно нарисовать диаграмму состояния системы "железо-цементит" с подробным указанием характерных температур и наличия фаз. Рекомендуется штриховкой цветными карандашами обозначить границы существования структурных составляющих.

Нарисовать характерный вид структуры различных железоуглеродистых сплавов при различных содержаниях С с указанием фаз.

2. Решить следующие задачи:

а) Пользуясь диаграммой состояния (обозначая линии построения цветными карандашами или пастой) определить температуры перехода в полностью жидкое и полностью твердое состояния для системы Fe-C с указанным по варианту содержанием углерода. Результаты записать. Построить примерный ход кривых охлаждения для данного состава.

б) Определить фазовый состав системы Fe - С в равновесном (отожженном) состоянии с заданным содержанием углерода при комнатной и указанной по варианту температурах. Графические построения и ход расчета, а также полученные результаты должны быть отражены в отчете по работе.

Задания по вариантам. Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:

Контрольные вопросы: 1. Что такое диаграмма состояния 2. Что такое фазовые превращения и чем они обусловлены? 3. Границы содержания углерода для сталей и чугунов. 4. Состав и структура отдельных фаз в диаграмме состояния "железо-углерод": феррита, аустенита, цементита, перлита и ледебурита. 5. Почему диаграмма состояния "железо-углерод" ограничивается по оси абсцисс содержанием углерода 6,67%? 6. В каком качестве находится углерод в различных структурных составляющих железных сплавов? 7. Как определить по диаграмме состояния фазовый состав равновесной системы? 8. Какие эвтектические и эвтектоидные превращения имеют место на диаграмме состояния системы Fe - С?