КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Діаграма залізо-цементит (рис. 1) дає уявлення про будо­ву вуглецевих сплавів – сталей і чавунів, та є основою для з'ясування процесів, що проходять при нагріванні і охолодженні залізо-вуглецевих сплавів (сталей і чавунів). У залізо-вуглецевих сплавах при нагріванні або охолодженні утворюються такі структурні складові: ферит, аустеніт, цементит, перліт та ледебурит. У таблиці 2 подано характеристику структурних складових залізовуглецевих сплавів.

Чисте електролітичне залізо – це м'який пластичний метал світ­лого кольору зі щільністю 7,85 г/см3, температурою плавлення 1539 °С. Воно має границю міцності σв = 250...280 МПа, відносне видовження δ = 50 %, відносне звуження ψ = 80 %, твердість 80 НВ і ударну в'язкість ан = 3000 кДж/м2. Залізо зберігає магнетизм до температури 768 °С і є феромагнітним. Під час нагрівання і охоло­дження в залізі відбуваються одне магнітне перетворення за темпе­ратури 768 °С і два поліморфних за 911 та 1392 °С.

Альфа-залізо (Feα) існує в двох інтервалах температур: нижче за 911 °С та 1392...1539 °С. В інтервалі температур 911...1392 °С існує γ-залізо (Feγ).

Кристалічні ґратки заліза здатні розчиняти різні елементи, утворюючи з металами розчини заміщення, а з неметалами (С, N, Н) – розчини втілення. Розчинність вуглецю в залізі значно зале­жить від типу кристалічних ґраток заліза і його температури. За кім­натної температури в Feα розчиняється 0,006 % С, а за 727 °С – 0,025 % С. Твердий розчин вуглецю в Feα називають феритом (ліва частина діаграми від 0 до 911 °С (QPG)).

Цементит – хімічна сполука вуглецю з залізом (Fe3C – карбід заліза), що утворюється при відповідному стехіометричному спів­відношенні атомів заліза і вуглецю. Це найтвердіша (800 НВ) і дуже крихка фаза в сплавах залізо – вуглець, яка містить 6,67 %С. Щіль­ність цементиту 7,82 г/см3, температура плавлення
1250 °С. Цементит феромаг­нітний до температури 217 °С і здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю в кристаліч­ній орторомбічній ґратці це­ментиту (рис. 0) можуть заміщатися атомами азоту, кисню, а атоми заліза – ато­мами мангану, хрому, вольф­раму та іншими металами. Цементит – нестійка хі­мічна сполука, яка під час нагрівання розпадається з утворенням вуглецю у ви­гляді графіту.

Рис. 0. Кристаліч­на орторомбічна ґратка це­ментиту

При аналізі розглядаються лінії і точки діаграми (табл. 1 і 3), застосовуються правила фаз та відрізків.

Для визначення ступеня вільності використовують закон Гібса за рівнянням: С=К-Ф+п, де К – кількість компонентів; Ф – кількість фаз; п=1 – кількість зовнішніх чинників (температура).

Вище лінії АВСD всі сплави знаходяться в рідкому стані і число ступенів волі С=К-Ф+1=2-1+1=2 (див. рис. 1). Це означає, що сплави можна нагрівати і охолоджувати, змінювати їх концентрацію і вони залишаються рідкими в стані рівноваги.

Між лініями АBС та АHJЕС і лініями СD та СF сплави двофазні, складаються із твердої фази і рідини, при цьому число ступенів волі дорівнює С=2-2+1=1 (табл. 1). Із вищевикладеного виходить, що система в даних областях має один ступінь волі і для зберігання її рівноваги можна змінювати лише один фактор рівноваги - температуру або концентрацію. Дві фази і один ступінь волі є також у всіх інших областях діаграми окрім аустенітної, де між лініями NHJЕС і GSЕ система однофазна і має два ступеня волі С=2-1+1=2.

На горизонтальних лініях ЕСF і РCК система трифазна і число ступенів волі С=2-3+1=0 (див. табл. 1). На лінії ЕСF за охолодження утворюється ледебурит, а налінії РSК – перліт. Нульовий ступінь волі на цих лініях обумовлює суворо постійні температури при утворенні ледебуриту (1147 °С) і перліту (727 °С). Із таблиці 3 видно, що дві фази і один ступінь волі мають усі криві лінії і точки А, D, G, Q; три фази і нульовий ступінь волі – точки Р, S, Е, С; в точках К і F фазових перетворень немає.

Правилом відрізків або правилом важеля користуються для визначення відсоткового і вагового складу рідкої і твердої фаз або двох різних твердих фаз (кількість структурних складових та їх концентрації).

Для цього, наприклад, із точки b (рис. 2) проводять горизонталь до ліній GР і GS. Проекція точки а на вісь концентрацій показує вміст вуглецю в фериті, а проекція точки с – вміст вуглецю в аустеніті за певної температури.

Для визначення кількісного відношення аустеніту і фериту необхідно скласти обернено пропорційне відношення відрізків: ,

де Qфер – кількість фериту; Qауст – кількість аустеніту для температури, що відповідає точці b.

Нехай у точці b маса всього сплаву становить 100 %, тоді Qфер/(100-Qфер)= . Підставляючи значення відрізків bс і аb, що визначені з діаграми стану, можна вирахувати кількість фериту, а потім і кількість аустеніту.

Візьмемо для прикладу сплав із вмістом вуглецю 2,7 % та визначимо відсотковий і ваговий склад рідкої і твердої (аустеніт) фаз, кількість структурних складових та їх концентрації за температури = 1250 °С (рис. 1 а).

Для цього через точку b (див. рис. 1, а) проводимо горизонта­льну лінію до перетину її з лініями ABC і JE, що обмежують зону діаграми Fe – Fe3C, отримавши на них точки а і с. Проекція точки b на вісь концентрації покаже вміст вуглецю в сплаві К2, про­екція точки а – вміст вуглецю в аустеніті, а проекція точки с – у рідкій фазі (L) за заданої температури. При зміні температури сплаву К2, зміниться концентрація вуглецю у відповідних фазах (аустеніті і рідкій фазі). Отже, отримаємо
а = 1,4 %С, b = 2,7 %С, с = 3,6 %С.

Рис. 1. Діаграма стану залізо-цементит (а); крива охолодження сплаву К1 (б); крива

нагрівання сплаву К2 (в)

Щоб визначити кількісне співвідношення аустеніту і рідкої фази (кількості фаз) у точці b, потрібно взяти співвідношення відрізків ab і bc зворотно пропорційно кількостям цих фаз для сплаву К2: ; кількість аустеніту QАуст за рівнянням: ; а кількість рідкої фази QРід за рівнянням: .

Отже , .

Знайдемо концентрацію кожної фази: аустеніт складається з 1,4 %С та 98,6 % Fe; рідина складається 3,7 %С та 96,3 % Fe.

Користуючись правилом фаз (законом Гіббса), побудуємо криву охолодження для сплаву К1 і криву нагрівання для сплаву К2, ви­ходячи з діаграми стану Fe–Fe3C (див. рис. 1, а). Наприклад, у процесі охолодження сплаву К1 діаграми стану Fe–Fe3C у точці 1 на лінії ABC (див. рис. 1) із рідкої фази L виділяються кристали аустеніту, що фіксуємо, зносячи точку 1 на систему координат температура – час (див. рис. 1,б). Так само переносимо точки 2, 3 і 4, які відповідають фазовим перетворенням, що відбуваються в сплаві К1 у процесі його кристалізації.

S

Рис. 2. Частина діаграми залізо-цементит. Вторинна кристалізація сталей

Рис. 3. Діаграма залізо-цементит. Вторинне перетворення у високо вуглецевих

сплавах (чавунах)

Згідно з правилом фаз, у точці 4 процес кристалізації відбувається ізотер­мічно (за конкретної температури і впродовж певного часу), що фік­сується горизонтальною лінією 4 – 4'. Криву нагрівання сплаву К2, яку побудовано за правилом фаз, наведено на рис. 1, в.

За діаграмою залізо-цементит можна побудувати криві охолодження. Для цього точки перетину вертикалі з лініями діаграми (рис. 1 б, в, 2 і 3), яка позначає сплав визначеної концентрації, переносять на систему координат температура-час і будують криву нагрівання або охолодження цього сплаву. Точки перетину з кривими лініями діаграми відповідають перегинам на кривих охолодження і нагрівання, а точки перетину з горизонтальними лініями відповідають площинкам на тих же кривих.

Таблиця 1. Фазові перетворення на лініях за діаграмою залізо-цементит

Позначення ліній Фазові перетворення на лініях (при охолодженні) Перелік фаз Кількість фаз Число ступенів волі
ВC Початок виділення аустеніту Feγ з рідини Аустеніт + рідина
JE Кінець виділення аустеніту Feγ з рідини Аустеніт + рідина
АВ Початок виділення фериту Feε з рідини Ферит + рідина
АН Кінець виділення фериту Feε з рідини Ферит + рідина
HN Початок виділення аустеніту Feγ з фериту Feε Аустеніт + ферит
NJ Кінець виділення аустеніту Feγ з фериту Feε Аустеніт + ферит
HJD Перетворення рідини в аустеніт Feγ та ферит Feε Аустеніт + цементит + рідина
EC Кінець виділення аустеніту Feγ з рідини і утворення ледебуриту Аустеніт + цементит + рідина
CD Початок виділення цементиту Fe3C (первинного) з рідини Рідина + цементит
CF Кінець виділення цементиту Fe3C (первинного) з рідини і утворення ледебуриту із рідини Рідина + цементит + аустеніт
ECF Утворення ледебуриту із рідини Рідина + аустеніт + цементит
GS Початок виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ Аустеніт + ферит
GМ Кінець виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ Аустеніт + ферит
МP Кінець виділення фериту Feα з аустеніту Feγ Аустеніт + ферит
PS Кінець виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ і утворення перліту із аустеніту Feγ Аустеніт + ферит + цементит
PSK Утворення перліту із аустеніту Feγ Аустеніт + ферит + цементит
SE Початок виділення цементиту Fe3C (вторинного) із аустеніту Feγ Аустеніт + цементит
SK Кінець виділення цементиту Fe3C (вторинного) із аустеніту Feγ і утворення перліту із аустеніту Feγ Аустеніт + цементит + ферит
PQ Початок виділення цементиту Fe3C (третинного) із фериту Feα Ферит + цементит
МО Лінія магнітного перетворення, яке відбувається при 768°С для сплавів до 0,6%С, фериту Feβ → фериту Feα Аустеніт + ферит

 

 

Таблиця 2. Характеристика структурних складових залізовуглецевих сплавів
(сталей і чавунів).

Назва структури Тип структури Зміст вуглецю, % Число фаз Механічні властивості Характе-ристика структури
sв, кгс/мм2 δ, % НВ, кгс/мм2
Ферит Твердий розчин вуглецю в a-залізі з обмеженою розчинністю Від 0,006 (при 0°С) до 0,025 (при 727°С) 80...100 Пластична але не міцна
Аустеніт Твердий розчин вуглецю в g-залізі з обмеженою розчинністю Від 0,8 (при 727°С) до 2,14 (при 1147°С) 180...200 Дуже пластична
Цементит Хімічне з’єднання заліза з вуглецем (Fe3C) 6,67 Дуже тверда і крихка
Перліт Механічна суміш фериту і цементиту 0,80 Середні міцність і пластичність
Ледебурит Механічна суміш перліту і цементиту (до 727 °С), аустеніт і цементит (від 727 до 1147 °С) 4,30 1...2 450...500 Тверда і крихка

Таблиця 3. Фазові перетворення в точках за діаграмою залізо-цементит.

Позна-чення точок Фазові перетворення в точках (при нагріванні та охолодженні) Зміст вуглецю, % Відповідна точкам температура, °С Перелік фаз Кількість фаз Число ступенів волі Зауваження
A Температура плавлення і кристалізації чистого заліза Рідина + кристали заліза - Правило фаз Гіббса до одно-компонентних систем не застосовується
D Температура плавлення і кристалізації цементиту 6,67 Рідина + цементит (первинний) -
C Плавлення і утворення ледебуриту 4,30 Рідина + цементит + аустеніт
E Максимальне розчинення вуглецю в аустеніті 2,14 Рідина + аустеніт + цементит
S Мінімальне розчинення вуглецю в аустеніті 0,80 Аустеніт + ферит + цементит
G Перетворення a-заліза в g- залізо або g- заліза в a- залізо a-залізо + g-залізо -
P Максимальне розчинення вуглецю в a- залізі 0,025 Аустеніт + цементит (вторинний)+ ферит
Q Мінімальне розчинення вуглецю в a- залізі 0,006 Ферит + цементит (третинний)
K Немає фазових перетворень 6,67 Цементит (первинний)  
F Немає фазових перетворень 6,67 Цементит (первинний)  
M Магнітне перетворення Чисте залізо  

Порядок виконання роботи

1. Вивчити структурні складові діаграми залізо-цементит за вмістом вуглецю, числом фаз, кристалічними гратками і властивостям.

2. Вивчити структурні перетворення залізовуглецевих сплавів за діаграмою залізо-цементит при нагріванні і охолодженні.

3. Виробити навички по застосуванню до діаграми залізо цементит правила фаз і правила відрізків з поясненням умов для зберігання сплавів у рівноважному стані. Навчитися визначати відсотковий і кількісний склад сплавів.

4 Набути навичок викреслювання кривих охолодження і нагрівання за діаграмою стану сплавів із застосуванням правила фаз Гіббса.

Зміст звіту

У звіт необхідно внести: схему діаграми стану сплавів залізо-цементит, опис фаз, структур залізовуглецевих сплавів і їх властивостей; дві криві охолодження для сталі і чавуну з будь-яким вмістом вуглецю, побудова за діаграмою залізо-цементит; опис на підставі цих кривих фазових перетворень, що проходять у сплавах за нагрівання та охолодження, із застосуванням правила фаз і правила відрізків.

Контрольні питання

1. Побудувати криві охолодження для сплавів із вмістом вуглецю 0,3%; 0,8%; 1,2%; 3%; 4,3%; 5% і проаналізувати ці сплави.

2. Визначити в точці 2,3% вуглецю за температури 1200 °С співвідношення (кількість) фаз, що знаходяться в рівновазі, а також їх хімічний склад (кількість вуглецю і заліза).

3. Визначити за правилом фаз Гіббса варіантність системи в точці 4,1% вуглецю за температури 950 °С.

4. Які фазові перетворення відбуваються на лінії РSK за діаграмою залізо-цементит.

5. Дайте визначення ледебуриту, з яких фаз він складається та при якій температурі відбувається евтектоїдне перетворення?

6. Які фазові перетворення відбуваються в точках S, Р і Е за діаграмою залізо-цементит?

 

Контрольні питання для захисту модуля

“Матеріалознавство”

1. Який метод визначення твердості слід застосувати при визначенні твердості загартованих деталей?

2. Яка розмірність твердості, що визначається різними способами?

3. Що називається твердістю матеріалу?

4. Як визначають твердість матеріалу за методом Брінеля?

5. Як визначають твердість матеріалу за методом Роквелла?

6. Які переваги і недоліки методу Брінеля?

7. Чому дорівнює твердість маловуглецевої сталі, якщо твердість за Брінелем НВ=180 кгс/мм2?

8. Чому дорівнюють 4 великі поділки на шкалі лупи мікроскопа за методом Брінеля?

9. Що означає запис НRC=80. (який метод, для яких металів, який індентор, яке основне навантаження, що означають позначки Н, R i C).

10. Вивести розрахункову формулу для метода Брінеля через діаметр відбитка.

11. Що називають макроструктурним аналізом?

12. Які основні методи макроструктурного аналізу і які дефекти можна виявити?

13. Що таке метод Баурмана?

14. Як визначити ліквацію фосфору в сталі?

15. Що таке сталь?

16. Яка максимальна кількість вуглецю в сталях, що застосовуються на практиці?

17. Як класифікується сталь за структурою та кількістю вуглецю в ній?

18. Яка із названих вище марок сталей є звичайної якості? Сталь 30, У 13, А-20, Ст. 3, Ст. 65, Сталь 45А, У13, У9А, Ст. 6, В Ст3пс.

19. Що таке червоноламкість сталі і чим вона викликана?

20. Від чого залежить структура і механічні властивості сталі?

21. Із яких сталей виготовляють дрібний інструмент – мітчики, плашки, розгортки?

22. Як позначається підвищений вміст марганцю в сталі?

23. Що таке холодноламкість і гарячоламкість?

24. Розшифруйте матки сталей: Сталь 45, Сталь 5, У 11, У 9А, Сталь 60Г.

25. Побудувати криві охолодження для сплавів із вмістом вуглецю 0,3%; 1,2%; 4,3%; проаналізувати ці сплави.

26. Побудувати криві охолодження для сплавів із вмістом вуглецю 0,8%; 3%;5 % і проаналізувати ці сплави.

27. Побудувати криві охолодження для сплавів із вмістом вуглецю 0,2%; 1%; 4% і проаналізувати ці сплави.

28. Поясніть кристалічну будову металів. Наведіть основні типи кристалічних грат.

29. Чим відрізняється будова реальних кристалів від ідеальних (чистих)?

30. У чому полягає механізм процесу кристалізації сплавів?

31. Відобразіть основні типи діаграм стану. Поясніть їх теоретичне і практичне значення.

32. Хто з учених вважається основоположником діаграми залізо-вуглець?

33. Накресліть діаграму залізо-вуглець і покажіть, які структури існують у рівноважному стані у залізовуглецевих сталей за різних температур.

34. Наведіть класифікацію і маркування сталей і чавунів за ДСТУ.

35. Які величини характеризують механічні властивості залізовуглецевих сплавів і як вони визначаються?

36. Що називається міжзерним зламом?

37. Що таке транскристалічний злам?

38. Розшифруйте матки сталей: 30ХН3А, 15Х2ГН2ТА, 12Х18Н1Т, 10Г2, У12Х5ВФ, Р6М5.

39. Визначіть у точці 2,3 % вуглецю за температури 1200 °С співвідношення (кількість) фаз, що перебувають у рівновазі, а також їх хімічний склад (кількість вуглецю і заліза).

40. Визначіть за правилом фаз Гіббса варіантність системи в точці 4,1 % вуглецю за температури 950 °С.

41. Які фазові перетворення відбуваються на лінії РSK за діаграмою з Fe–Fe3C.

42. Дайте визначення ледебуриту?

43. Які фазові перетворення відбуваються в точках М, Р і Е за діаграмою Fe–Fe3C?

44. Визначіть у точці 0,3 % вуглецю за температури 768 °С співвідношення (кількість) фаз, що перебувають у рівновазі, а також їх хімічний склад (кількість вуглецю і заліза).

45. Визначіть за правилом фаз Гіббса варіантність системи в точці 0,6 % вуглецю за температури 1200 °С.

46. Які фазові перетворення відбуваються на лінії ЕСF за діаграмою Fe–Fe3C.

47. Дайте визначення цементиту?

48. Які фазові перетворення відбуваються в точках G, А і Q за діаграмою з Fe–Fe3C?

49. Визначіть у точці 1,3 % вуглецю за температури 750 °С співвідношення (кількість) фаз, що перебувають у рівновазі, а також їх хімічний склад (кількість вуглецю і заліза).

50. Визначіть за правилом фаз Гіббса варіантність системи в точці 2,2 % вуглецю за температури 730 °С.

ЛІТЕРАТУРА

1. Гуляев А. П. Металловедение : учеб. пос. / А. П. Гуляев. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.

2. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов : учеб. пособие / Ю. М. Лахтин. – М. : Машиностроение, 1989. – 359 с.

3. Технологія конструкційних матеріалів : навч. посіб. / за ред. М. А. Сологуба. –
К. : Вища школа, 1993. – 300 с.

4. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению : учеб. пособие / под. ред. С. С. Некрасова. – М. : Агропромиздат, 1991. – 287 с.

5. Технология металлов и конструкционных материалов : учеб. пособие / [Скобников К. М., Глазов Г. А., Петраш Л. В. и др.]. – Ленинград : Машиностроение, 1972. – 520 с.

6. Технология металлов : учебник / под ред. Б. В. Кнорозова – М. : Металлургия, 1978. – 880 с.

7. Технология металлов и материаловедение : учебник / под ред. Л. Ф. Усовой. –
М. : Металлургия, 1987. – 800 с.

8. Технология конструкционных материалов : учеб. пособие / под ред.
А. М. Дальского. – М. : Машиностроение, 1990. – 352 с.

9. Солнцев Ю. П. Металловедение и технология металлов : учеб. пособие /
Ю. П. Солнцев, В. А. Веселов, В. П. Демянцевич – М. : Металлургия, 1988. –
512 c.