Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2
ТЕМА: Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы железо – цементит
Цель работы:
ОСНОВЫ ТЕОРИИ:
Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые оказывают существенное влияние на их свойства и формирование структуры. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлаждении до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграммой состояния железо-углерод.
Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зависимости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния железо-углерод. Большее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Диаграмма является основой для выбора оптимальных режимов термообработки железоуглеродистых сплавов.
Диаграмма состояния железо-углерод
Железо-металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, температура плавления железа 15390С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. α- железо существует при температуре ниже 9100С.
Кристаллическая решетка α-железа – объемно-центрированный куб с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768 0С, соответствующую переходу α- железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.
γ–железо существует в интервале температур 910-1392 0 С; оно парамагнитно. Кристаллическая решетка γ–железа – гранецентрированная кубическая.
Углерод – неметаллический элемент, атомный номер 6; плотность 2,5 г/см3; температура плавления 3500 0С. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах - в виде графита.
В системе Fe – Fe3С различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит.
К структурным составляющим в системе Fe – Fe3С относятся жидкий раствор, феррит, аустенит, ледебурит, перлит, а также цементиты – первичный, вторичный и третичный.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода и др. примесей в γ– железе. (Предельная растворимость углерода в γ- железе – 2,14%).
Ледебурит – эвтектический сплав, представляющий собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита.
Перлит – механическая смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t = 7270С.
Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий от 0,02% до 2,14% углерода.
Стали доэвтектоидные – содержание углерода не превышает 0,8%.
Стали заэвтектоидные – содержание углерода составляет 0,8-2,14 %.
Стали эвтектоидные – содержание углерода 0,8%.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода и др. примесей в α- железе. Различают низкотемпературный α- феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ – феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%.
Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3С, с концентрацией углерода 6,67%.
Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.
Чугуны белые - чугуны, кристаллизирующиеся подобно углеродистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe3С (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).
Чугуны доэвтектические – содержание углерода составляет 2,14 – 4,3%.
Чугуны заэвтектические – содержание углерода > 4,3%.
Чугуны эвтектические – содержание углерода равно 4,3%.
Рассмотрим области диаграммы состояния железо – цементит, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы, и основные фазовые превращения.
Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe3С:
жидкая фаза L – все сплавы выше линии ликвидус АВСД;
В двухфазных областях в равновесии находятся:
Горизонтальные линии на диаграмме состояния железо-цементит отвечают трехфазовым равновесным состояниям сплавов:
L(B) + Ф(H) → A (I )
L(С) + А(Е) → Ц (ледебурит)
А(S) → Ф (Р) + Ц (перлит)
Составы и количества фаз в системе железо-цементит можно определить с помощью правила отрезков. На примере условной диаграммы состояния бинарной системы, состоящей из компонентов А и В, рассмотрим принцип расчета количественного соотношения фаз для двухфазной области приведенной диаграммы. Для этого через точку α на фигуративной линии сплава необходимо провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшими линиями (точки b и с). Проекция точки b на ось концентраций покажет процентное содержание компонентов в области слева от точки b, проекция точки с – процентное содержание компонентов в области справа от точки с.
Весовое количество фаз определится из соотношения отрезков коноды:
Фаза 1 = ас * 100%
bс
Фаза 2 = аb * 100%
bс
Анализ структурного состава
Формирование структур в сплавах можно изучить, анализируя по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.
В процессе эвтектического превращения жидкий раствор затвердевает в виде ледебурита Л.
Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 7270С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого является полиморфное превращение Feγ→Feα. В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита П.
Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называют первичным, из аустенита – вторичным, а из феррита – третичным.
Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве II при медленном охлаждении.
Проследим за формированием структуры сталей с содержанием углерода 1,5% при их медленном охлаждении с 16000С. Критические точки, соответствующие температурам превращений, показаны на фигуративных линиях. Схема структур и состав фаз и структурных составляющих для рассматриваемого случая приведены на рис.
До температуры 14500С (точка 3; область 1-3) сталь с 1,5% углерода находится в жидком состоянии.
При t = 14500С начинается процесс кристаллизации стали. В интервале температур 1450 – 12500С (точки 3,4; область 3-4) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и аустенит.
В интервале температур 1250-9500С (область 4 – 1) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав сплава представлен аустенитом.
При охлаждении сплава ниже 9500С (точка 1) аустенит с концентрацией углерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.
Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 7270С (область 1-2) изменяется согласно линии ES от точки 1 к точке S:
А (1-S) 950 – 7270С ЦIII
При температуре 7270С (точка 2) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит П.
Ниже температуры 7270С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного ( ЦIII ) (область 2-5).
В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных составляющих в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 6000С с помощью правила отрезков.
Содержания структурных составляющих определяются последовательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществующих фаз или структурных составляющих.
Весовая доля цементита вторичного определяется его количеством, выделившимся в интервале температур 950-7270С (точки 1 и 2).
Количество цементита вторичного можно определить из соотношения отрезков S – 2 и S – К (7270С):
ЦII = S – 2 * 100% = 1,5 – 0,8 * 100% = 11,9%.
S – К 6,67-0,8
Количество перлита, образовавшегося при эвтектоидном превращении (7270С), составит 100 – 11,9 = 88,1% от веса всего сплава. Концентрация углерода в феррите при 7270С соответствует 0,02 %, а в цементите – 6,67%. Соотношение фаз в эвтектоиде будет следующим:
Ф = S – K * 100% = 6,67-0,8 * 100% = 88,2%;
Ц = 100 – 88,2 = 11,8%.
Полученные значения пересчитаем по отношению к весу всего сплава:
Ф = 88,1*88,2 = 77,7%; Ц = 88,1 * 11,8 = 10,3%.
В процессе медленного охлаждения стали от t = 7270С растворимость углерода в феррите уменьшается, в результате чего избыточный углерод выделяется в виде цементита третичного. Количество цементита третичного можно определить из отношения веса ЦIII к весу феррито - цементитной смеси:
Ц III = Qr * 100 = 0,02 – 0,01 * 100 = 0,15%.
QL 6,67 – 0,01
Подсчитаем весовую долю Ц III по отношению к весу всего сплава, который выделился из феррита эвтектоида:
Ц III = 77,7 * 0,15 = 0,1%
100
В результате выделения Ц III относительный вес феррита эвтектоида уменьшится на 0,1% и будет равен 77,7 – 0,1 = 77,6%.
Таким образом, в заэвтектоидной стали (1,5% С) при 6000С структурные составляющие по отношению к весу сплава распределяются так:
перлит (Ф + Ц) = 77,6 + 10,3 = 87,9%;
цементит вторичный Ц II – 11,9 %;
цементит третичный Ц III - 0,1 %.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВАРИАНТОВ
ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
|
Номер варианта |
Содержание углерода, % |
Температура, 0С |
Номер варианта |
Содержание углерода, % |
Температура, 0С |
|
1 |
0,05 |
820 |
16 |
1,6 |
900 |
|
700 |
600 |
||||
|
2 |
0,12 |
1480 |
17 |
2,3 |
1200 |
|
650 |
800 |
||||
|
3 |
0,16 |
1520 |
18 |
2,5 |
1300 |
|
600 |
600 |
||||
|
4 |
0,20 |
1470 |
19 |
2,8 |
1250 |
|
650 |
800 |
||||
|
5 |
0,35 |
1520 |
20 |
3,0 |
1200 |
|
700 |
1000 |
||||
|
6 |
0,40 |
750 |
21 |
3,5 |
1200 |
|
600 |
600 |
||||
|
7 |
0,50 |
1470 |
22 |
3,8 |
1170 |
|
650 |
850 |
||||
|
8 |
0,60 |
750 |
23 |
4,2 |
1150 |
|
600 |
800 |
||||
|
9 |
0,80 |
1450 |
24 |
4,5 |
1150 |
|
650 |
700 |
||||
|
10 |
1,0 |
1400 |
25 |
5,0 |
1200 |
|
600 |
1000 |
||||
|
11 |
1,2 |
760 |
26 |
5,5 |
1300 |
|
700 |
600 |
||||
|
12 |
1,4 |
800 |
27 |
6,0 |
1400 |
|
650 |
800 |
||||
|
13 |
1,5 |
750 |
28 |
6,2 |
1250 |
|
700 |
900 |
||||
|
14 |
1,8 |
850 |
29 |
6,5 |
1100 |
|
800 |
950 |
||||
|
15 |
2,0 |
900 |
30 |
6,6 |
1400 |
|
1000 |
1100 |