![]() |
![]() |
||||||||||||
Категории: АстрономияБиология География Другие языки Интернет Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Механика Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Транспорт Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника |
УДК 620.22
Материаловедение. Методическое указание к лабораторной работе «Анализ диаграммы состояния железо-углерод» для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / Сост.: В.Н. Киприянова, С.А. Кобзева; Кубанский гос. технол. ун-т. Каф. материаловедения и автосервиса. – Краснодар: Изд. КубГТУ, 2008 – 11 с.
Изложены теоретические основы и методика проведения лабораторной работы «Анализ диаграммы состояния железо-углерод».
Печатается по решению методического совета Кубанского государственного технологического университета
Рецензенты: канд. техн. наук, доц. А.Г. Соколов канд. техн. наук, проф. Ю.А. Кабанков
АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – углерод
Цель работы – изучить диаграмму состояния Fe – C и структурные превращения железоуглеродистых сплавов.
Задание и порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями. 2. Дать описание основных линий, точек, фаз и структурных составляющих диаграммы состояния железо – цементит. 3. Вычертить диаграмму состояния в масштабе с принятым обозначением точек, температур, концентраций углерода и обозначить структуры во всех областях диаграммы. 4. Научиться определять концентрации углерода в фазах при различных температурах и количественные соотношения фаз, используя правило отрезков. 5. Построить кривые охлаждения заданных сплавов с применением правила фаз, занести номера критических точек, числа степеней свободы, структуры на каждом участке кривой и превращения на горизонтальных участках.
Основы теории Наиболее распространенными металлическими материалами являются сплавы железа и углерода – стали и чугуны. В сталях содержится менее 2,14%С, а в Рассмотрим компоненты системы железо – углерод и их взаимодействие. Компоненты – вещества, образующие систему: 1. Железо – металл сероватого цвета, температура плавления 1539 ºС, плотность 7,68 г/см3. Железо имеет две полиморфные модификации: и . При температурах ниже 911ºС кристаллическая решетка железа – объемно центрированный куб (ОЦК). Эту модификацию называют -железо. До температуры 768 ºС (точка Кюри) -железо магнитно, выше – немагнитно. Его называют – немагнитным или – железом. При нагреве железа объемно центрированная кубическая решетка при 911 ºС перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эта модификация существует до 1392 ºС и называется -железом. Выше 1392 °С и до температуры плавления вновь устойчивой является ОЦК- решетка, высокотемпературное -железо обозначают также – железо. Схематично полиморфные превращения железа при нагреве можно изобразить следующим образом: 2. Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см3, температура плавления 3500 ºС. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение – цементит. Практическое значение имеет часть диаграммы от железа до цементита. Эта изучаемая нами часть диаграммы (рис. 2), называется также диаграммой железо – цементит (Fе – Fe3C). Фазы. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую строение, состав и свойства изменяются скачкообразно. В системе железо – углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит; рассмотрим подробнее.
![]() Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768o С.
Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-железе– 2,14% при температуре 1147 ºС (точка Е). Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит. 3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% (концентрация углерода при изменении температуры остается неизменной, в отличие от твердых растворов). Температура плавления цементита около 1600 ºС. Имеет сложную ромбическую решетку. Цементит – неустойчивое химическое соединение и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Цементит самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость более 800 НВ, =0%). В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. 4. Жидкий расплав. Углерод растворяется в железе в жидком состоянии, образуя однородный жидкий расплав.
Кристаллизация сплавов ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплавов. AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации. При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения d-феррита; при 0,51 < %С < 4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3 < %С < 6,67 начинается с выделения из расплава кристалликов цементита первичного. В сплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии AH, с образованием d-феррита. Сплавы, содержащие 0,1 < %С < 0,51 при температуре 1499°С испытывают перитектическое превращение: ЖB + ФН ® АJ Линия HJB – линия перитектических превращений. При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит. Рис. 2. Диаграмма состояния железо – углерод. При содержании углерода от 0,16%, до 0,51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит. Сплавы, содержащие до 2,14%С, называются сталью, а более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами. Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита. В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений. Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии. Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием. По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).
Фазовые и структурные изменения после затвердевания связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением. В доэвтектоидных сплавах (%С < 0,8%) ниже линии GOS g-решетка аустенита перестраивается в a-решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений. В температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита. По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK (727 ºС), где происходит эвтектоидное превращение. Эвтектоидное превращение заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита. Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Линия PSK – линия эвтектоидных превращений. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше феррита и больше перлита. Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в a-железе. Из феррита выделяется цементит третичный. Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в a-железе – 0,02%. Линия МО – линия магнитных превращений. Сталь при нагреве становится немагнитной, никаких структурных изменений при этом не происходит. В заэвтектоидныхсталях (0,8 < %С < 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в g-железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в g-железе). По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит. В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение. Перлит с пластинчатым цементитом обладает твердостью 200 – 230 НВ, пределом прочности 800 – 900 МПа, относительным удлинением 10%. В доэвтектических чугунах ниже 1147°С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE). При 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру перлит + цементит вторичный + ледебурит, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун содержит углерода больше 4,3% и после затвердевания его структура – цементит + ледебурит. Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727°С одинаков; они состоят из феррита и цементита[1]. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.
Построение кривых охлаждения При построении кривых охлаждения необходимо пользоваться правилом фаз: Количество компонент в данной системе всегда равно 2, это железо и углерод. Количество фаз находят используя диаграмму (рис.2). Не следует путать фазы со структурными составляющими, так как последние могут быть однофазными и многофазными, а одна и та же фаза может входить в разные составляющие. Например, в доэвтектических чугунах при комнатной температуре цементит вторичный, цементит перлита и цементит ледебурита является одной и той же фазой. Структура этого чугуна – перлит + ледебурит + цементит, а фазовый состав – феррит + цементит. Рассуждения: перлит это двухфазная структурная составляющая, состоящая из феррита и цементита; ледебурит при комнатной температуре состоит из перлита и цементита, в свою очередь, перлит сам по себе тоже не однороден и является смесью феррита и цементита; а структурная составляющая цементит – однофазна. Схематично эти рассуждения можно представить следующим образом:
![]() Зная количество фаз и количество компонент, можно определить число степеней свободы. На линиях эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений система Fе – Fе3С находится в трехфазном состоянии, которое согласно правилу фаз является для двухкомпонентных систем нонвариантным: C=2-3+1=0. Все превращения при С = О происходят при постоянных температурах, и на кривой охлаждения они характеризуются горизонтальным участком. В двухфазных областях диаграммы системы являются моновариантным: В однофазных областях системы биварианты: C=2-1+1=2. При этом с изменением температуры никаких превращений не происходит, и на кривых охлаждения будут крутые участки (с большим наклоном). Кривые охлаждения необходимо строить, начиная с жидкого состояния. На каждом участке кривой должны быть обозначены число степеней свободы На рис. 3. приведен пример построения кривой охлаждения заэвтектоидной стали содержащей 1,5%С. Выше линии ликвидус сплав находится в жидком однофазном состоянии. В соответствии с правилом фаз (С=2-1+1=2, фаза - жидкий раствор) система в этой области бивариантна, фазовых превращений не происходит, и температура до точки 1 снижается достаточно интенсивно (крутой участок кривой охлаждения). В точке 1 начинается процесс первичной кристаллизации, продолжающийся до точки 2, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. По мере охлаждения сплава от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JЕ от точки J к точке 2, а в жидкости – согласно линии BC от точки 1 к точке 2¢ (рис. 3). Составы и количества фаз определяют по правилу отрезков. Например, в точке m состав жидкой фазы найдем проекцией точки n на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки k.
![]() Рис. 3. Диаграмма состояния Fe – C (а) и кривые охлаждения стали (б) и чугуна (в).
Количество фаз определяют из соотношения отрезков: Процесс первичной кристаллизации в данном случае идет при понижении температуры, что согласуется с правилом фаз (С=2-2+1=1; фазы - жидкий раствор и аустенит). Таким образом, система в этой области моновариантна, в процессе превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации, замедляющая снижение температуры, поэтому участок кривой охлаждения будет пологим. Первичная кристаллизация сплава заканчивается в точке 2. В интервале между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. Система при этом бивариантна (C=2-1+1=2; фаза - аустенит), участок кривой охлаждения будет крутым. При температуре, соответствующей точке 3, достигается предел насыщения аустенита углеродом. Ниже этой точки аустенит становится перенасыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и здесь выделяется в виде вторичного цементита. Процесс кристаллизации вторичного цементита, в соответствии с правилом фаз, протекает с понижением температуры сплава Согласно правилу фаз при эвтектоидном превращении система нонвариантна (С=2-3+1=0; фазы - аустенит, цементит, феррит), процесс идет при постоянной температуре, и на кривой охлаждения будет горизонтальный участок. Ниже температуры 727°С в рассматриваемом сплаве практически не происходит превращений. По теоретическим данным, из феррита здесь выделяется третичный цементит, вследствие чего система будет моновариантной (С=2-2+1=1; фазы – феррит и цементит). Но феррит здесь содержится только в составе перлита, третичный цементит выделяется в незначительном количестве и металлографически не обнаруживается, так как сливается с цементитом перлита. Таким образом, в структуре стали данного состава при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой вторичного цементита. Превращения в сплавах в процессе нагрева происходят в обратной последовательности при некотором их перегреве выше температур равновесного состояния.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Как взаимодействует углерод с железом? 2. Какое максимальное процентное содержание углерода может быть в -, -, -железе? 3. Укажите линии и точки диаграммы, приведите их названия. 4. Что представляет собой каждая из структурных составляющих: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит? 5. Что представляет собой перитектическое превращение и как оно протекает? 6. Что представляет собой эвтектическое превращение и как оно протекает? 7. Что представляет собой эвтектоидное превращение и как оно протекает? 8. Какие фазы присутствует на линии PSK и каковы их составы? Какова вариантность системы на этой линии? 9. Какой цементит называется первичным, вторичным, третичным? 10. В чем причина выделения вторичного и третичного цементита по мере понижения температуры? 11. Расскажите и покажите, как определяется концентрация углерода в аустените при различных температурах в заэвтектоидных сталях и доэвтевктических чугунах. 12. Какое изменение происходит в ледебурите на линии РSК? 13. В чем причина выделения феррита в доэвтектоидных сталях ниже линии G0S? 14. Какие фазы присутствуют в доэвтектических чугунах при комнатной температуре и какова при этом вариантность системы? 15. Опишите последовательно все превращения, происходящие при охлаждении, начиная от жидкого состояния в эвтектоидной стали, одной из до- и одной из заэвтектоидных, эвтектическом чугуне, одном из до- и одном из эаэвтектических. Объясните при этом причину каждого превращения и расскажите об изменениях количеств и состав фаз в процессе превращений.
Литература 1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение. 1980, с. 123 – 131. 2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977, с. 159 – 179. |