Анализ диаграммы состояния «Железо-цеменит»

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова

(технический университет) Отчёт по лабораторной работе № 3

По дисциплине: Материаловедение Тема: Анализ диаграммы состояния «Железо-цеменит»

Выполнил: студент Звонарёв И. Е.

Проверил: Болобов В.И.

Санкт-Петербург 2006 г.

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) Диаграмма состояния. Общие понятия.

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 to, а по горизонтали — концентрация С (%) (рис. 1).

Рис 1. Пример 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 б (в). 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: ув=250 МПа; у0,2=120 МПа; д=50%; ш=80%; НВ 800ч900 МПа. Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в Fег; 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 °C 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 °C с образованием эвтектической смеси ледебурит (Л). Ледебурит в интервале температур 1147ч727°С состоит из, А + Ц (Л = А + Ц); при 727 °C аустенит превращается в перлит (П); ниже 727 °C 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 °C (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 °C 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. 1агоризонталь). Ниже 727 °C структура П + Ц остается без изменений. железоуглеродистый сплав нагрев охлаждение Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при температуре до 727 °C сохраняется структура аустенита, а при температуре 727 °C происходит эвтектоидная реакция — аустенит превращается в перлит; ниже 727 °C структура П остается без изменений.

Для доэвтектоидных сталей (С < 0,8%) в интервале между линиями СS — РS происходит изменение кристаллической решетки железа Fег в Fеб: 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 °C представляет собой (П + Ц), при 727 °C (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 °C в интервале времени ф9 — ф91 происходит эвтектическая реакция, при которой жидкость превращается в ледебурит (АЕ+Ц=Л). На кривой рис.1 В 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 °C в период времени ф11 — ф111 аустенит (А) по эвтектоидной реакции превращается в перлит (П), (на рис.1 В этому процессу соответствует горизонталь) и структура сплава ниже температуры 727 °C (линии РSК) — (Ц+П+Л).

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

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

Рис 2. Диаграмма состояния железо-цементит Теоретическая часть 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 = 900o.

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):

Второй сплав: С = 5%, T = 1000o.

Фазовый состав: А + Ц Состав фаз: A: С = 1,5% Fe = 98,5%

Ц: С = 6,67% Fe = 93,33%

Соотношение фаз (см. рис. 2):

Вывод: в данной работе мы изучили диаграмму состояния «железо-цементит». Научились определять фазовый состав, состав фаз и количественное соотношение фаз для заданных точек диаграммы.