Таблица «Зависимость механических свойств сплавов от их структуры»

Структура	Механические свойства
Структура	Прочность	Твердость НВ	Пластичность
Феррит
Цементит
Перлит
Ледебурит

9. Укажите, при каком содержании углерода в %, стали являются доэвтектоидными?

10. Укажите, при каком содержании углерода в %, стали являются заэвтектоидными?

11. Укажите, при каком содержании углерода в %, сталь является эвтектоидной?

12. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe – Fe3C соответствует началу кристаллизации и как она называется?

13. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe – Fe3C соответствует окончанию кристаллизации сплава и как она называется?

14. Каково содержание углерода в чугуне.

15. Какие чугуны применяются в машиностроении: доэвтектические или заэвтектические?

16. Постройте кривые охлаждения сплавов согласно вариантов таблицы:

№ варианта	Сплав с содержанием углерода в %
1.	0,02
2.	0,5
3.	0,8
4.	1,7
5.	3,5
6.	4,3
7.	5,5

Опишите структурные превращения данного сплава при медленном охлаждении, используя критические точки диаграммы состояния Fe – Fe₃C ( по следующему алгоритму):

Пересечение линии Диаграммы – Температура – Фаза сплава

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Основные положения по теме работы (кратко).

3. Описание отдельных стадий выполнения работы с указанием используемого оборудования с необходимыми пояснениями, цифровыми данными, зарисовками.

4. Анализ полученных результатов, выводы.

Практическое занятие

Анализ диаграммы состояния Железо-цеменит

Цель работы:

Научиться проводить анализ диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, изучить свойства фаз и структурных составляющих, научиться строить кривые охлаждения и нагрева сплавов, определять составы фаз и их количественное соотношение.

Аналитический обзор (фазы структурных составляющих и превращения в системе железо-цементит)

Общие положения

При изменении концентрации компонентов в металле двух и более компонентов системы, а так же в процессе их охлаждения или нагрева, в составляющих происходят фазовые и структурные изменения, которые отражают с помощью диаграммы состояния.

В двух компонентных системах по вертикали t^o, а по горизонтали - концентрация С(%) (рис. 1).

Рис 1. Пример построения диаграммы состояния

Каждая точка на оси абсцисс соответствует содержанию 1 и 2 компонентов в сплаве, с учётом того, что общее содержание их в каждой точке = 100%.

Крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними - двойному сплаву.

Диаграмма состояния «железо - цементит».

На диаграмме состояния железо-цементит Fe - Fe3С (рис.2) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от чистого Fe (0% С) до цементита Fe3C (6,67% С). В интервале концентраций 0ч2,14% С находятся стали; 2,14ч6,67 % С - чугуны. Диаграмма на рис. 1б приведена в упрощенном варианте, а именно, исключена перитектическая реакция, обусловленная высокотемпературной модификацией Fe α(β). Линии диаграммы фиксируют начало и конец того или иного превращения. Каждая область включает одну или две фазы, которые образуют структурные составляющие. Любая точка диаграммы показывает химический состав, температуру, фазовый состав и структуру сплава.

В системе железо - цементит присутствуют фазы: жидкая и твердая (феррит, аустенит и цементит). Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fеа с предельной растворимостью 0,02% С (точка Р). Феррит мягкий, пластичный с недостаточно прочной структурой и со свойствами: σв=250 МПа; σ0,2=120 МПа; δ=50%; ψ=80%; НВ 800ч900 МПа. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ; занимает область АЕSG; имеет предельную растворимость углерода 2,14% (точка Е). Аустенит немагнитен; обладает высокой пластичностью и низкой прочностью. Цементит (Ц) - это химическое соединение Fе3С - карбид железа. В цементите содержится 6,67% С, ему отвечает ордината DFKL. Цементит обладает очень низкой пластичностью и высокой твердостью до НV 1000.

Области жидкой фазы, феррита и аустенита однофазные, остальные - двухфазные. Структурное состояние сплавов может быть более сложным, чем фазовое. Так, в стали с содержанием углерода 0,8% (точка S) при температуре 727°С образуется эвтектоидная смесь феррита (Ф) и цементита (Ц), названная перлитом (П). Соответственно, сталь с содержанием углерода 0,8% является эвтектоидной и имеет структуру перлита (П); стали с содержанием С < 0,8% - доэвтектоидные со структурой перлита (П) и феррита (Ф); стали с содержанием углерода от 0,8% до 2,14% - заэвтектоидные со структурой П + Ц.

Чугун с содержанием углерода 4,3% (точка С) кристаллизуется при 1147°С с образованием эвтектической смеси ледебурит (Л). Ледебурит в интервале температур 1147ч727°С состоит из А + Ц(Л = А + Ц); при 727°С аустенит превращается в перлит (П); ниже 727°С ледебурит - это смесь П + Ц (Л = П + Ц). Превращение аустенита (727°С) в перлит (П) названо эвтектоидной реакцией. Чугун с содержанием С == 4,3% является эвтектическим, имеет структуру ледебурита (Л); с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% - доэвтектическим, имеет в интервале температур 1147ч727°С структуру (А + Ц + Л), ниже 727°С (П + Ц + Л); с содержанием углерода от 4,3% до 6,67% - заэвтектическим, имеет структуру Л + Ц (П+Ц).

Превращения в сталях. Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении стали состава I из жидкого состояния в твердое. Проводим на диаграмме (рис. 1б) вертикаль, соответствующую составу I (заэвтектоидная сталь). При пересечении линии ликвидус АСD при температуре t1 начинается первичная кристаллизация - выделяются кристаллы аустенита А; завершается кристаллизация при пересечении линии солидус АЕСF при температуре t2, в результате в интервале температур t1чt2 состояние сплава Ж + А. Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием аустенита.

В интервале температур t2чt3 сохраняется структура аустенита, никаких превращений не происходит. В интервале температур t3чt4 вследствие уменьшения растворимости углерода (от 2,14 до 0,8%) в аустените по линии ЕS из аустенита выделяется цементит; структура - аустенит плюс цементит (А + Ц). При 727°С содержание углерода в аустените снижается до 0,8% (точки S на диаграмме) и в интервале времени t4чt41 происходит эвтектоидная реакция: А превращается в П (на кривой охлаждения рис. 1а -горизонталь).

Ниже 727°С структура П + Ц остается без изменений. железоуглеродистый сплав нагрев охлаждение

Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при температуре до 727°С сохраняется структура аустенита, а при температуре 727°С происходит эвтектоидная реакция - аустенит превращается в перлит; ниже 727°С структура П остается без изменений.

Для доэвтектоидных сталей (С < 0,8%) в интервале между линиями СS - РS происходит изменение кристаллической решетки железа Fеγ в Fеα: аустенит превращается в феррит (А→Ф). Содержание углерода в аустените и феррите повышается.

Процессы, происходящие при охлаждении (→) и нагреве (←) обратимы (←→). При нагреве стали состава I структура сплава до температуры 727°С представляет собой (П + Ц), при 727 °С (А←П) и структура в интервале температур t4чt3 (А + Ц); при повышении температуры от t4 до t3 цементит распадается, а образовавшийся углерод растворяется в аустените; при температуре t3 содержание углерода в аустените соответствует составу сплава I; в интервале температур t3чt2 изменений не происходит; в интервале температур t2чt1 происходит плавление (Ж ←А) и выше температуры t1 сохраняется жидкое агрегатное состояние.

Превращения в чугунах. Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении чугуна состава II из жидкого состояния. На диаграмме (рис.1б) проводим вертикаль, соответствующую составу II. Кристаллизация начинается при температуре t7 с выделения аустенита, в интервале t7чt9 состав выделяющегося аустенита изменяется по линии солидус АЕ до состава АЕ, а состав остающейся жидкости - по линии ликвидус АС до состава Жc. При температуре 1147°С в интервале времени τ9 - τ91 происходит эвтектическая реакция, при которой жидкость превращается в ледебурит (АЕ+Ц=Л). На кривой рис.1в этому процессу соответствует горизонталь (процесс протекает при постоянной температуре). В интервале температур t9чt11 растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ЕS от 2,14 до 0,8%С и из аустенита выделяется, в том числе и входящий в ледебурит, цементит.

Структура доэвтектического сплава в интервале температур t7чt9 (А+Ц+Л). При температуре 727°С в период времени τ11 - τ111 аустенит (А) по эвтектоидной реакции превращается в перлит (П), (на рис.1в этому процессу соответствует горизонталь) и структура сплава ниже температуры 727°С (линии РSК) - (Ц+П+Л).

Для эвтектического чугуна (4,3%С) кристаллизация происходит при постоянной температуре 1147°С по эвтектической реакции и завершается образованием ледебурита (Л).

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается на линии ликвидус СD с выделения цементита Ц и завершается при 1147°С эвтектической реакцией - образованием ледебурита (Л); структура сплава после кристаллизации - (Ц+Л). При нагреве происходят обратные (←) процессы.

Рис 2. Диаграмма состояния железо-цементит

Задание:

Определение фазового состава, состава фаз и количественного соотношения фаз для двух заданных точек диаграммы. Построить термограммы охлаждения для заданных сплавов.

Первый сплав: С = 1,5 %, T = 900^o.

Фазовый состав: А + Ц

Состав фаз: A: С = 1,2 % Fe = 98,8 %

Ц: С = 6,67 % Fe = 93,33 %

Соотношение фаз (см. рис. 2):