Лабораторная работа № 5
«Исследование свойств железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов (ДСС) «железо-цементит»
Учебная цель: научиться проводить исследование железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов (ДСС) Fe-Fe3 C.
Учебные задачи:
Изучить состояние железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C.
Изучить структурные составляющие железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C.
Изучить последовательность фазовых превращений при охлаждении и нагреве железо- углеродистых сплавов различного состава.
Научиться строить кривые охлаждения – нагрева железо-углеродистых сплавов с различной концентрацией.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО третьего поколения:
Студент должен
уметь:
проводить исследования и испытания материалов;
знать:
способы и методы исследования и испытания материалов.
Задачи лабораторной работы № 5
Повторить краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.
Ответить на вопросы для закрепления теоретического материала по теме.
Выполнить практические задания лабораторной работы.
Оформить отчет.
Обеспеченность занятия (средства обучения):
1. Технические средства обучения:
учебная коллекция образцов материалов и деталей из железо-углеродистых сплавов;
плакат «Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3 C».
2. Учебно-методическая, справочная литература:
А.М.Адаскин Материаловедение: Учебник. – М.: Высшая школа, 2009.
Л.Д. Иванова Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ. – Самара: ГБОУ СПО «ПГК», 2014.
3. Лекционная тетрадь по материаловедению.
4. Тетрадь в клетку для выполнения лабораторных работ.
5. Калькулятор инженерный.
6. Ручка.
7. Карандаш простой.
8. Линейка.
9. Ластик.
Краткие теоретические и учебно-методические материалы
по теме лабораторной работы
Диаграмма «железо-углерод» является «краеугольным камнем» металловедения и термической обработки сталей и чугунов – основных сплавов промышленности. Знание диаграммы является необходимой предпосылкой грамотного определения структуры и свойств большинства конструкционных и инструментальных сталей и чугунов, разработ-ки режимов предварительной и окончательной термических обработок, определения температурных условий обработки давлением.
Диаграмме «железо-углерод» посвящены тысячи исследований. Создание диаграммы имеет богатую и интересную историю. С производством и применением стали и железа люди познакомились еще в древности, однако только в самом конце XVII века французом Гютоном было дано правильное определение стали как сплава железа с углеродом. Построение же самой диаграммы было начато только во второй половине ХIХ века и связано, в первую очередь, с именем русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова, который в 1886 году установил существование критических точек “А“ соответствующих граничным температурам фазовых превращений в сталях Ас3 и Ас1.
В равновесных железоуглеродистых сплавах углерод, если он не растворен в железе, может присутствовать как в форме графита, так и в форме цементита. Поэтому диаграмма состояния приводится часто в двух вариантах: «железо – графит» и «железо-цементит». Линии истинно равновесной системы «железо – графит» проходят при этом несколько выше линии квазиравновесной системы «железо – цементит». Сам же вид диаграммы остается тот же.
В данной лабораторной работе рассматривается диаграмма системы «железо-цементит», представленной на рис. 20.
Поскольку технические сплавы железа с углеродом содержат углерода меньше, чем его в цементите (6,67%), обычно строят и рассматривают диаграмму «железо-углерод», (до содержания углерода 6,67%) когда образуется устойчивое химическое соединение - карбид железа Fe3 C. Оно и может быть рассмотрено как компонент.
Этот участок диаграммы Fe – С называют диаграммой состояния «железо – цементит» (Fе - Fe3 C).
В сплавах системы «железо-цементит» (железо-углерод) компонентами являются железо и цементит (углерод): фазами — феррит, цементит, графит, аустенит, жидкость. Структурными составляющими из двух фаз – перлит и ледебурит (сведения о физико - механических свойствах фаз и структурных составляющих имеются в учебниках).
Здесь приведены только основные сведения о свойствах фаз и структурных составляющих.
ЦЕМЕНТИТ- химическое соединение, Fe3 C. Цементит характеризуется высокой твердостью до НВ 800 и чрезвычайно низкой пластичностью, температура плавления - 1252 0С.
Цементит является неустойчивым соединением и при определенных условиях распадается с образованием графита. Цементит может присутствовать и как самостоятельная структурная составляющая, и как одна из фаз структурных составляющих типа перлит и ледебурит.
Г Р А Ф И Т — одна из модификаций углерода, имеющая гексагональную решетку с ионной и ковалентными сильными связями между атомами в плотноупакованных слоях и слабыми, типа полярных, связями между плотно упакованными слоями. Графит характеризуется исчезающей малой прочностью. Плотность графита — 2,2 г/см3. Температура плавления - З500 0С.
Ф Е Р Р И Т — твердый раствор углерода в альфа-железе (C в α - Fe). Максимальное содержание углерода в феррите- 0,02% при 7270С и 0,006% - при 200С.
Свойства феррита примерно такие же, как и чистого железа. В сталях феррит может присутствовать и как самостоятельная структурная составляющая, и как составная часть (фаза) сложных структурных составляющих – ПЕРЛИТА и ЛЕДЕБУРИТА.
АУ С Т Е Н И Т - твердый раствор углерода в гамма-железе (C в γ - Fe). Максимальное содержание углерода в аустените - 2,14% при 11470С, при 7270С- 0,8%.
Аустенит обладает невысокой прочностью и хорошей пластичностью. Характерной особенностью аустенита является его способность к упрочению при деформации. Аустенит немагнитен.
В сталях и чугунах аустенит может присутствовать и как самостоятельная структурная, и как составная часть (фаза) сложной структурной составляющей – ледебурита.
П Е Р Л И Т - двухфазная структурная составляющая, представляющая собой эвтектоидную смесь феррита и цементита.
Перлит содержит 0,8% С. В зависимости от формы цементита, различают пластинчатые и зернистый (глобулярный) перлиты. Пластинчатый перлит, по сравнению с зернистым, характеризуется несколько большей прочностью и твердостью: бВ =700-750 МПа, НВ 190-220 против бВ = 700-750 МПа, НВ 168-190 и меньшей плотностью (10-11%, против 14-16%).
ЛЕДЕБУРИТ - двухфазная структурная составляющая, представляющая собой в области температур от 11470 до 7270С эвтектическую смесь цементита и аустенита.
Ледебурит содержит 4,3% С. При охлаждении, при температуре 7270С АУСТЕНИТ, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит, ледебурит отличается большой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.
Вся диаграмма состояния «железо-углерод» образована линиями, имеющими определенные наименования и ограничивающими характерные по структуре области.
Линия АСД - линия ликвидуса, показывающая начало кристаллизации сплавов системы (упрощенный вариант диаграммы).
Линия AECF- линия солидуса, показывающая окончание кристаллизации.
Линия ECF - линия эвтектического превращения Ж = (Ц+А) 11470С.
Линия РSK- линия эвтектоидного превращения А = (Ц + Ф) при температуре 7270С (обозначаемой через А1).
Важным для понимания формирования структур сталей являются РSЕ - линии нижнего “стального” угла диаграммы.
Линия GS показывает температуры начала выделений феррита из аустенита при охлаждении или окончании растворения феррита в аустените при нагреве (А3).
Линия SЕ показывает температуру начала выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении или окончании растворения вторичного цементита при нагреве.
У всех сплавов, содержащих более 2,14% углерода, первичная кристаллизация заканчивается при температуре 11470С эвтектическим превращением, после которого структура сплавов с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% будет состоять из аустенита и ледебурита, а при дальнейшем охлаждении сплава ниже температуры 1147°С начинается вторичная кристаллизация, из аустенита выпадают вторичные кристаллы цементита, а из сплавов с содержанием углерода свыше 4,3% - сплавы из первичного цементита и ледебурита. Структура сплава с 4,3% углерода будет чисто ледебуритной.
У сплавов с содержанием углерода до 2,14% непосредственно после кристаллизации образуется однофазная аустенитная структура (указанное различие в структурах, образующихся в результате кристаллизации, создает существенные различия как в эксплуатационных, так и в технологических свойствах сплавов с содержанием углерода до 2,14% и свыше 2,14%). Все железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталями, а с большим от 2,14% до 6,67% углерода - чугунами.
В качестве примера рассмотрим процесс формирования структур в сплаве с содержанием углерода 1,4% (см. рис. 20).
В исходном высоко - температурном состоянии (выше точки 2) сплав имеет одну жидкую фазу. Состав жидкой фазы соответствует составу сплава.
В точке 2, лежащей на линии ВС, начинается процесс кристаллизации. Выделяются первые кристаллики аустенита, соответствующего проекции точки 2 на ось концентрации. Выделение аустенита сопровождается выделением скрытой теплоты плавления, что отражается в уменьшении угла наклона кривой охлаждения при понижении температуры.
Весь процесс первичной кристаллизации идет в интервале температур, ограниченных точками 2 и З. В точке 3 первичная кристаллизация заканчивается.
В  точке m сплав имеет двухфазную структуру, состоящую из жидкости и аустенита концентрации, определяемой точкой m. Количество (масса) твёрдой (аустенита) фазы определяется отношением отрезков ; а жидкой - .
В интервале температур между точками З и 4 сплав имеет однофазную структуру- аустенит.
Начиная с температуры точки 4 и до температуры точки 5 из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените при этом понижается и в температуре точки 5 становится равной 0,8%, т.е. это концентрация эвтектоида. Изменение углерода в аустените можно проследить по линии ЕS.
В точке 5 структура сплава двухфазная, состоит из аустенита и вторичного цемента.
При температуре точки 5 начинается и заканчивается эвтектоидное превращение. Весь аустенит превращается в эвтектоидную механическую смесь феррита и цемент (перлит).
Содержание углерода в перлите - 0,8%. На кривой охлаждения эвтектоидное превращение отражается горизонтальной ступенькой, протяженность которой соответствует времени протекания превращения.
Перлит представляет собой двухфазную структурную составляющую. По окончании эвтектоидного превращения структура рассматриваемого сплава будет состоять из зерен перлита, окруженных сеткой вторичного цемента.
При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до комнатной температуры его микроструктура не изменяется.
Вопросы для закрепления теоретического материала
Объяснить понятия: компонент, система, фаза.
Указать полиморфные превращения железа.
Дать определения: аустенита, феррита, цементита, перлита, ледебурита и указать содержание в них углерода.
Дать определение стали и чугуна.
Назвать структурные составляющие доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, доэвтектических и заэвтектических чугунов.
Задания для лабораторной работы № 5
Задание № 1: Ознакомиться с основными положениями теории ДСС Fe-Fe3 C.
Задание № 2: Изучить структурные составляющие железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C.
Задание № 3: Изучить последовательность фазовых превращений при охлаждении и нагреве железо-углеродистых сплавов различного состава.
Задание № 4: Научиться строить кривые охлаждения - нагрева железо-углеродистых сплавов с различной концентрацией углерода: К1 → С = К2 → С = (по заданию преподавателя) с обозначением структурных и фазовых превращений.
Таблица 7
Параметр
(углерод)
|
Вариант задания
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
С%
|
К1
|
0,8
|
0,55
|
0,2
|
0,9
|
1,4
|
1,8
|
2,0
|
1,6
|
0,7
|
0,06
|
К2
|
4,3
|
5,2
|
3,1
|
2,5
|
3,0
|
4,8
|
6,0
|
6,67
|
4,0
|
5,9
|
Задание № 5: Составить отчет по лабораторной работе.
Инструкция по выполнению заданий лабораторной работы № 5
Внимательно ознакомьтесь с вопросами для закрепления теоретического материала.
Сформулируйте свой ствет на каждый вопрос и запишите его в тетрадь для лабораторных работ.
Изобразите диаграмму Fe-Fe3 C. Заполните все области диаграммы (рис. 20).
Изучите последовательность фазовых превращений при охлаждении и нагреве железо- углеродистых сплавов различного состава по ДСС Fe-Fe3 C.
По заданию преподавателя постройте кривые охлаждения – нагрева железо-углеродистых сплавов с обозначением структурных и фазовых превращений.
Образец отчета по лабораторной работе № 5
Отчет
по лабораторной работе № 5
Учебная цель: научиться проводить исследование железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов (ДСС) Fe-Fe3 C.
Учебные задачи:
Изучить состояние железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C.
Изучить структурные составляющие железо-углеродистых сплавов по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C.
Изучить последовательность фазовых превращений при охлаждении и нагреве железо- углеродистых сплавов различного состава.
Научиться строить кривые охлаждения - нагрева железо-углеродистых сплавов с различной концентрацией.
Задание № 1: здесь необходимо дать определение основных структурных составляющих железо-углеродистых сплавов.
Задание № 2: здесь должна быть представлена ДСС Fe-Fe3 C со структурным и фазовым составом отдельных областей диаграммы (рис. 20).
Задание № 3: здесь должна быть описана последовательность фазовых превращений при охлаждении и нагреве железо- углеродистых сплавов различного состава по ДСС Fe-Fe3C.
Задание № 4: здесь должны быть построены кривые охлаждения -нагрева железо-углеродистых сплавов с различной концентрацией углерода: К1 → С = К2 →С = (по заданию преподавателя) с обозначением структурных и фазовых превращений.
Рисунок 20 – Диаграмма «железо-углерод».
|
