Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

4.10 Контрольные вопросы

4.10.1 Какие железоуглеродистые сплавы относятся к техническому

железу, сталям и чугунам?

4.10.2 Каковы фазовые и структурные составляющие системы Fe-C?

Характеристика структурных составляющих.

4.10.3 Какая из структур железоуглеродистых сплавов является меха-

нической смесью феррита и цементита?

4.10.4 Что такое ледебурит?

4.10.5 Как классифицируют по структуре стали и чугуны?

4.10.6 Какие существуют виды чугунов? В какой форме присутствует в

них углерод?

4.10.7 Как влияет на свойства серого чугуна форма графитовых вклю-

чений и структура металлической матрицы?

4.10.8 Как получают ковкий и высокопрочный чугун? Как различаются

по свойствам серый, ковкий и высокопрочный чугуны?

Приложение А

(справочное)

Приобретение навыков работы с диаграммой состояния

железо-углерод

Исходные данные:

Сплав содержит 0,7 % углерода. Заданная температура 600 °С.

Температурные

границы интер-

валов, °С

Концентрация углерода в фазовых

состояниях, %

Номера

темпе-

ратурных

интервалов

верхние

границы

нижние

границы

наименование

фазы

на верх-

ней гра-

нице тем-

пера-

турного

интервала

на ниж-

ней гра-

нице тем-

пера-

турного

интервала

Струк-

тур-

ный

состав

Вариантность

системы

1 1495 1388

0,7

0,2

2,25

0,7

Ж+А

2 1388 745

А 0,7 0,7 А

3 745 727

0,7

0,016

0,8

0,02

А+Ф

4 727 727

0,8

0,02

6,67

0,8

0,02

6,67

А+Ф+

5 727 600

0,02

6,67

0,01

6,67

Ф+П

Ж - жидкость, А - аустенит, Ф - феррит, П - перлит, Fe

С - цементит

5 Лабораторная работа № 5

Упражнения по диаграмме железо-углерод *

)

5.1 Цель работы

Приобретение навыков работы с диаграммами состояния на примере

диаграммы железо-углерод.

5.2 Общие сведения

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение

состояния сплавов. Свойства сплавов определяются, прежде всего, составом

фаз и их количественным соотношением. Сведения о составе и соотношении

фазовых составляющих можно получить, анализируя диаграмму состояния.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину кри-

сталлизации любого сплава, формирования его структуры. Диаграмма со-

стояния позволяет оценить свойства сплавов, найти оптимальные параметры

таких технологических процессов как литье, термическая и химико-

термическая обработка, сделать заключение о возможности обработки давле-

нием и т.д.

5.3 Порядок выполнения работы

5.3.1 Получите у преподавателя задание на выполнение работы (на пер-

вом этапе - концентрацию углерода в сплаве, на втором – температуру спла-

ва).

5.3.2 Опишите процесс кристаллизации сплава заданного состава (этап

первый). В процессе работы заполните таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Фазовый и структурный состав сплава в температурных

интервалах

Температурные границы

интервалов

Концентрация углерода в фазовых

составляющих, %

Номер темпе-

ратурного ин-

тервала

верхняя

граница

нижняя

граница

наимено-

вание фа-

зы

на верх-

ней гра-

нице

на ниж-

ней гра-

нице

Структурный со-

став

Вариантность сис-

темы

…

)

Составлено при участии Синюхина А.В.

5.4 Определение количества интервалов

Фигуративной точкой называется точка на диаграмме состояния, ха-

рактеризующая состояние сплава заданной концентрации при определенной

температуре.

Под температурным интервалом следует понимать область температур,

в которой сплав находится в качественно неизменном фазовом составе.

Для определения количества температурных интервалов необходимо

проделать следующее:

а) найти на оси концентраций диаграммы железо-углерод точку, опре-

деляющую состав заданного сплава;

б) мысленно провести вертикальную линию от этой точки до пересече-

ния с линией ликвидус (данная линия будет называться фигуративной);

в) проследить через сколько областей с различным фазовым составом

проходит линия (рисунок 5.1).

Замечание: В большинстве случаев каждая из областей находиться ме-

жду двумя сплошными линиями диаграммы состояния. Однако область мо-

жет стянуться в точку, если она лежит на горизонтальных линиях диаграм-

мы: линии перитектики (HIB), эвтектики (ECF) или эвтектоида (PSK). На-

пример, четвертый температурный интервал на рисунке 5.1 является точеч-

ным.

Рисунок 5.1 – Фрагмент диаграммы состояния Fe – C для определения

количества температурных интервалов

5.5 Определение температур верхней и нижней границ каждого из

температурных интервалов

Граничными точками температурных интервалов являются точки пере-

сечения фигуративной линии со сплошными линиями диаграммы состояния.

Температура нижней границы температурных интервалов совпадает с

температурой верхней границы последующего интервала.

Температуры граничных точек, а также концентрации углерода в них

следует определять по рисункам фрагментов диаграммы состояния железо-

углерод (приложение А).

Температуры фиксированных точек диаграммы состояния и концен-

трация углерода в них приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Фиксированные точки диаграммы состояния

Наименование точки Температура, ºС Концентрация углерода, %

1539

1499

1392

1250

1147

911

727

600

0,1

0,16

0,5

6,69

2,14

4,3

6,69

0,02

0,8

6,69

0,01

6,69

5.6 Определение фазового состава сплава в каждом из температур-

ных интервалов

Фазами могут быть только чистые компоненты, растворы и химические

соединения. В диаграмме железо-углерод фазами являются: феррит-дельта,

феррит, аустенит, цементит и жидкость.

При определении фазового состава в температурных интервалах, соот-

ветствующих двухфазным областям диаграммы, обратите внимание, с каки-

ми фазами (однофазными областями) граничит данная область слева и спра-

ва. Эти фазы и будут присутствовать в рассматриваемом интервале (рису-

нок 5.2).

Рисунок 5.2 – Фрагмент диаграммы состояния Fe – C для определения

фазового состава двухфазных областей

При определении фазового состава в “точечных” температурных ин-

тервалах, соответствующих трехфазным областям (линия перитектики

1499 ºС, линия эвтектики 1147 ºС, линия эвтектоида 727 ºС), обратите внима-

ние каким трем фазам принадлежат точки линии. Эти фазы и будут присут-

ствовать в рассматриваемом температурном интервале.

5.6 Определение концентрации углерода в каждой из фаз при тем-

пературах, соответствующих верхней и нижней границам каждого из

температурных интервалов

При отыскании концентрации углерода в фазах в температурных ин-

тервалах, соответствующих двухфазным областям, следует применить первое

правило отрезков: «Чтобы определить концентрацию компонентов в фазовых

составляющих сплава, нужно через заданную точку двухфазной области про-

вести коноду (рисунок 5.3). (Конодой называется горизонтальный отрезок,

проведенный в двухфазной области диаграммы состояния и опирающийся

своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось кон-

центраций покажут состав каждой из фаз, составляющих сплав при заданной

температуре.» Например, на рисунке 5.3 коноды проведены через точки, со-

ответствующие верхней (Т

) и нижней (Т

) границам рассматриваемого тем-

пературного интервала. На верхней границе температурного интервала кон-

центрация углерода в жидкости будет определяться точкой С

, а в аустените

– точкой С

. На нижней границе в жидкости – точкой С

, а в аустените – точ-

кой С

Рисунок 5.3 – Фрагмент диаграммы состояния Fe – C для определения

концентрации углерода в фазах в двухфазных областях

При отыскании концентрации углерода в фазах в “точечных” темпера-

турных интервалах, соответствующих трехфазным областям, обратите вни-

мание какие фиксированные точки принадлежат этой линии. Концентрация

углерода в фиксированных точках (таблица 5.2) определяет состав фаз, кото-

рым принадлежат эти точки.

5.7 Расчет вариантности системы

Под вариантностью системы (числом степеней свободы) понимают

число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять, не выводя

систему из данного фазового состава. Внешним фактором является темпера-

тура, внутренним – концентрация компонентов.

Расчет вариантности С, (числа степеней свободы) системы проводят по

формуле, известной как правило фаз:

−

FКС ,

где К – число компонентов ( 2

, поскольку система железоуглеро-

дистых сплавов состоит из двух компонентов – железа и углерода).

F – число фаз, составляющих сплав в данном температурном интер-

вале;

5.8 Определение структурного состава сплава в каждом из темпе-

ратурных интервалов

Железоуглеродистые сплавы могут иметь в своем составе следующие

структурные составляющие: феррит-дельта, феррит, аустенит, жидкость, це-

ментит первичный, цементит вторичный, цементит третичный, перлит и ле-

дебурит.

Для определения структурного состава следует отчетливо представлять

какие превращения происходят в данном температурном интервале и во всех

предшествующих интервалах.

Структурные составляющие феррит-дельта, феррит, аустенит и жид-

кость совпадают с соответствующими фазовыми составляющими.

Первичным называется цементит, выделяющийся в заэвтектических

чугунах из жидкости. Вторичный цементит – это цементит, выделяющийся в

заэвтектоидных сталях и в доэвтектических чугунах из аустенита в интервале

температур от 1147 до 727 ºС. Третичный цементит выделяется из феррита

ниже температуры 727 ºС. Встречается третичный цементит только в низко-

углеродистых сталях с концентрацией углерода не более 0,02 %. Все виды

структурного цементита сохраняются с момента образования до комнатной

температуры и ниже.

Перлит представляет собой продукт эвтектоидного распада аустенита,

протекающего при охлаждении железоуглеродистых сталей в районе темпе-

ратуры 727 ºС, и является механической смесью двух фаз: феррита и цемен-

тита.

Ледебурит – это продукт эвтектического распада жидкости, протекаю-

щего при охлаждении чугунов ниже 1147 ºС, и представляет собой механиче-

скую смесь двух фаз: аустенита и цементита. Ниже температуры 727 ºС леде-

бурит, после эвтектоидного распада аустенита, входящего в него, представ-

ляет собой смесь перлита и цементита.

Структурный состав обычно обозначен на диаграммах состояния.

5.9 Построение кривой кристаллизации заданного сплава

При построении кривой кристаллизации сплава руководствуются зна-

чениями вариантности системы в каждом из температурных интервалов. При

этом интервалы с нулем степеней свободы изображаются в виде горизон-

тального отрезка, интервалы с одной или двумя степенями свободы – в виде

наклонной линии. Причем линия, соответствующая интервалу с двумя степе-

нями свободы, вычерчивается круче, чем с одной степенью свободы. Мас-

штаб по горизонтали произвольный.

5.10 Расчет количественного фазового и структурного состава

сплава (этап второй)

Для расчета количества каждой из фаз (в процентах), присутствующих

в сплаве при заданной температуре, следует воспользоваться вторым прави-

лом отрезков: “Для нахождения количественного соотношения фазовых со-

ставляющих сплава нужно через заданную точку двухфазной области диа-

граммы состояния, характеризующую состояние сплава (фигуративную точ-

ку), провести коноду. Отношение длины отрезка, заключенного между фигу-

ративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды численно

равно относительному количеству второй фазы (соответствующей второму

концу коноды) “.

Для определения длины коноды найдите, в соответствии с первым пра-

вилом отрезков, концентрации углерода в точках, на которые она опирается.

Далее следует пользоваться значениями концентраций как координатами на

числовой оси (рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 – Определение относительного фазового состава сплава в

точке М

На рисунке через фигуративную точку М проведена конода XУ.

В соответствии с изложенным количество жидкости в сплаве в точке М

равно

100⋅

−

xм

количество аустенита в точке М

% 100⋅

−

xу

мy

,

где м, x, у – концентрация углерода соответственно в точках М, X, У.

Расчет количественного фазового состава в трехфазных областях не-

возможен, поскольку в них происходит при одной и той же температуре не-

прерывное изменение соотношения фаз. Характер изменения определяется

направлением движения теплоты (к системе или от нее).

При расчете количественного структурного состава сплава при данной

температуре конода должна опираться не на фазовые, а на структурные гра-

ницы. К структурным границам относятся, кроме границ, совпадающих с фа-

зовыми границами (сплошные линии диаграммы состояния), еще и верти-

кальные линии, проведенные пунктирными линиями и соответствующие эв-

тектической (4,3 %) и эвтектоидной (0,8 %) концентрации углерода в спла-

вах.

Задачу о количественном структурном составе сплава при трех струк-

турных составляющих решают более сложным путем. В данном случае ис-

пользуют то, что масса эвтектики с момента ее образования остается в сплаве

при дальнейшем его охлаждении неизменной. Поэтому содержание эвтекти-

ки (ледебурита) можно рассчитывать при условии, когда в сплаве присутст-

вуют только две структурные составляющие (ледебурит + аустенит).

5.11 Исходя из найденного структурного состава, выполните рису-

нок предполагаемой структуры сплава.

5.12 Содержание отчета по выполненной работе

5.12.1 Цель работы.

5.12.2 Таблицу фазового и структурного состава сплава в температур-

ных интервалах.

5.12.3 Рисунок кривой кристаллизации.

5.12.4 Расчеты количественного фазового и структурного состава.

5.12.5 Рисунок предполагаемой микроструктуры сплава.