Лабораторная работа №2 Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов  

Лабораторная работа №2 Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов

Цель работы:Ознакомиться с микроструктурой железоуглеродистых сплавов, полученных приизотермических превращениях стали при охлаждении с помощью правила фаз Гиббса.

1.1 Общие сведения

Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились [10]. Основной для определения фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма железо-цементит (Fe - Fe3C) (рисунок 3).

t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), %

Рисунок 3 - Диаграмма железо-цементит (Fe - Fe3C)

Структурные составляющие углеродистой стали после её полного отжига приведены ниже в таблице 5.Структура углеродистой стали после её полного отжига представляет собой совокупность рассмотренных структурных составляющих и должна соответствовать диаграмме железо-цементит.

Таблица 5 - Основные структуры железоуглеродистых сплавов

Название Внутреннее строение Растворимость углерода Свойства
Феррит (Ф) Твёрдый раствор (и других элементов) углерода в α-железе Переменная: от 0,008 %, при 20 0С; до 0,02 % при 727 0С. HB от 80 до 130. Высоко пластичен: (δ =50 %; ψ = 80 %). Прочность низкая: (σв = 250 МПа)
Аустенит (А) Твёрдый раствор (и других элементов) углерода в γ-железе Переменная: от 0,8 %, при 727 0С до 2,14 % при 1147 0С. HB 200 Пластичен (δ =50 %), при отсутствии в нем легирующих элементов.
Цементит (Ц) Химическое соединение железа и углерода: Fe3C. Кристаллическая решетка сложная ромбоэдрическая. Постоянная: 6,67 %. ЦI, образуется из расплава; ЦII, образуется за счет изменения растворимости углерода в аустените; ЦIII, образуется за счет изменения растворимости в феррите. HB ≥ 800 не обладает пластичностью. Неустойчивое химическое соединение Fe3C при высоких температурах распадается на железо и углерод по реакции: Fe3C → 3Fe + С
Перлит (П) Эвтектоидная микросмесь феррита и цементита вторичного А0,8% ↔ П(Ф0,02% + ЦII) при 727 0С HB от 160 до 260, (мелкозернистый перлит имеет твёрдость около HB 160, крупнопластичный около HB 260)
Ледебурит (Л) В интервале температур от 1147 0С до 727 0С эвтектическая микросмесь аустенита и цементита первичного. Ж4,3% ↔ Л(А2,14% + ЦI) при 1147 0С HB до 700 низкая пластичность и прочность, высокая твёрдость и хрупкость.

1.2 Характеристикауглеродистой стали

Структура в отожженных доэвтектоидных сталях представляет собой феррит и перлит. При рассмотрении под микроскопом зерна феррита кажутся светлыми, а зерна перлита тёмными (рисунок 4). С увеличением содержания углерода количество зёрен перлита увеличивается. С возрастанием перлитной составляющей в структуре доэвтектоидной стали повышается ее твёрдость, предел прочности, а пластичность уменьшается.



Отожженные эвтектоидные стали (0,8 % С) полностью состоят из одной структурной составляющей - перлита (пластинчатого или зернистого). Твёрдость и предел прочности эвтектоидной стали выше, чем доэвтектоидной, а пластичность ниже.

Структура отожженных заэвтектоидных сталей: перлит плюс цементит вторичный. Цементит, в зависимости от режима термообработки наблюдается в виде светлых, небольших по величине зёрен, либо в виде светлой сетки по границам зёрен перлита. Строение и свойства перлита в заэвтектоидной стали аналогичны эвтектоидной.

1.3 Характеристика чугунов

Чугун - это сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами. Углерода в чугуне содержится от 2 до 6,67 %, в структуре он наблюдается в виде графита и цементита (рисунок 4). Структура чугуна зависит от скорости его охлаждения и химического состава.

По структуре, наблюдаемой в микроскопе, чугуны делятся на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

Белые чугуны образуются при ускоренном охлаждении и имеют матово-белый цвет в изломе. В белом чугуне почти весь углерод находится в связанном соединении с железом в виде цементита Fe3C. В зависимости от содержания углерода различают три класса белых чугунов: доэвтектический (содержание углерода меньше 4,3 %), эвтектический (углерода 4,3 %) и заэвтектический (углерода больше 4,3 %).

Микроструктура доэвтектического чугуна включает три структурные составляющие: перлит, ледебурит и вторичный цементит. Перлит наблюдается в виде темных зерен, а ледебурит в виде отдельных участков. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых зерен перлита, равномерно расположенных в белой цементитной основе. С увеличением концентрации углерода в доэвтектоидном чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей - ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом.

Заэвтектический чугун характеризуется двумя структурными составляющими - первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает. Характерная особенность структуры белого чугуна - наличие весьма твёрдых и малопластичных составляющих: цементита и ледебурита. Поэтому белый чугун имеет высокую твёрдость, мало пластичен и плохо обрабатывается резцом, поэтому его применение ограничено в машиностроении.

Серый чугун имеет в изломе серый цвет, что объясняется присутствием в его структуре графита. Структура серого чугуна представляет собой металлическую основу, пронизанную графитовыми включениями. Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Ферритный чугун имеет структуру: феррит (светлая основа), перлит (серая основа) и пластинчатый графит (темные пластинчатые включения).

Перлитный серый чугун - перлит (серая основа), пластинчатый графит (темные пластинчатые включения). Прочность графита в сером чугуне по сравнению с металлической основой ничтожно мала. Присутствие графита в чугуне равносильно надрезу - пустоте. Поэтому чем равномернее расположены графитовые включения в металлической основе, тем они мельче и их форма ближе к округленной, тем меньше разобщена металлическая основа чугуна и, следовательно, его прочность выше.

Рисунок 4 - Микроструктуры сталей и белых чугунов

Наличие графита, с одной стороны, снижает механические свойства чугуна, а с другой - повышает его износостойкость и способность поглощать вибрацию.

Высокопрочный чугун при рассмотрении в микроскоп имеет следующую структуру: металлическую основу (перлит и феррит, цементит и перлит или феррит) и графитовые включения в виде округленного (глобулярного) графита. Такой чугун получается модифицированным с помощью магния или церия. Высокая прочность чугуна обеспечивается указанной формой графита и структурой металлической основы.

Ковкий чугун получается в результате отжига отливок, изготовленных из белого чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на железо и графит. Образующийся при этом графит имеет хлопьевидную форму (темные включения), что и обеспечивает хорошие пластические формы чугуна. В зависимости от строения металлической основы различают перлитный, перлитно-ферритный и ферритный ковкий чугун.

1.4 Образец решения задачи по определению динамики образования структуры сплава

Задание:

1) описать превращения и построить кривую охлаждения (с применением правила фаз) сплава, содержащего 3 %С;

2) указать структуру этого сплава при комнатной температуре и как называется этот сплав;

3) определить для данного сплава:

а) химический состав фаз (содержание углерода в фазах) при температурах: 600 °С, 1000 °С;

б) весовое количество каждой фазы в процентах при температуре 1000 °С.

Вначале вычерчивают диаграмму состояния Fe-Fe3C в масштабе с указанием структурных составляющих во всех областях диаграммы (рисунок 5).

Далее обозначают на диаграмме заданный сплав 3 %С с указанием критических точек этого сплава (1,2,3) и отвечают на вопрос.

1 В данном сплаве при охлаждении до температуры первой точки (т.1) никаких фазовых превращений не происходит, идет простое физическое охлаждение жидкости. По правилу фаз Гиббса: С = К – Ф + 1 (К – число компонентов, Ф число фаз при данной температуре), если система двухкомпонентная и фаза только одна – жидкость, то С = 2 – 1 + 1 = 2. Это означает, что сплав, находясь выше линии ликвидус, остается в однофазном состоянии, при одновременном изменении температуры и концентрации, состояние сплава не меняется, он остается в жидком состоянии.

Далее, при пересечении температуры первой точки (т.1) (линия ликвидус) начинается процесс кристаллизации с выделения твёрдой фазы аустенита. Этот процесс по правилу фаз идет в интервале температур, так как: С = 2 – 2 + 1 = 1, то есть двухфазное состояние может сохраняться при изменении температуры или концентрации компонентов в фазах. Однако каждой температуре будут соответствовать определенные концентрации компонентов в фазах, то есть в этом случае температура сплава изменяется, сплав охлаждается.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), % Время охлаждения, τ

Рисунок 5 - График охлаждения сплава, содержащего 3 %С

Затем, при температуре точки два (т.2), оставшаяся жидкость будет иметь концентрацию по углероду, равную 4,3 %. А при такой концентрации жидкость будет кристаллизоваться с образованием данныхкристаллов аустенита концентрации 2,14 % и цементита. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом. Ледебурит кристаллизуется при постоянной температуре, так как: С = 0 (в равновесии три фазы: жидкость, аустенит и цементит), то есть ни один фактор не должен меняться, пока не изменится количество фаз, (горизонтальный участок на кривой охлаждения), а как только закристаллизуется вся жидкость, количество фаз будет равно двум, а значит С = 1, то есть температура будет меняться.

При дальнейшем понижении температуры в этом сплаве происходит выделение углерода из аустенита в виде цементита. Изменение концентрации углерода в аустените происходит по линии ЕS. При температуре, соответствующей третьей точке (т.3), концентрация углерода в аустените соответствует точке S, то есть 0,8 %. При такой концентрации аустенит распадается на две другие твёрдые фазы: феррит концентрации углерода 0,02 % и цементит. Это превращение тоже идет при постоянной температуре, так как С = 0. Механическая смесь феррита и цементита носит название перлита.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), % Время охлаждения, τ

Рисунок 6 - График охлаждения сплава, содержащего 4,3 %С

2 Ниже температуры третьей точки (т.3) никаких фазовых превращений не происходит, поэтому структура этого сплава при комнатной температуре будет состоять из перлита, ледебурита и цементита вторичного. Этот сплав носит название белый доэвтектический чугун.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), % Время охлаждения, τ

Рисунок 7 - График охлаждения сплава, содержащего 5,5 %С

Чтобы определить, какие фазы находятся в равновесии друг с другом в любой двухфазной области диаграммы и узнать весовые количества этих фаз, необходимо применить правило рычага (или отрезков). Для этого через заданную точку проводят горизонтальную линию (коноду) вправо и влево до встречи с первыми фазовыми линиями диаграммы, тогда точки встречи укажут физическую природу равновесных фаз, а их проекции на ось концентраций – химический состав фаз.

На рисунках 6 и 7 представлены графики охлаждения эвтектектического и заэвтектического чугуна.

1.5 Динамика образования структуры стали

Динамика образования структуры доэвтектоидной стали при медленном охлаждении (отжиге) представлена ниже на рисунке 8.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), %

Рисунок 8 - График охлаждения стали, содержащей 0,5 %С

До температуры 1492 0С (т.1) охлаждается жидкая фаза. В интервале температур от 1492 0С (т.1) и 1450 0С (т.2) идет кристаллизация с образованием твёрдого раствора аустенита, состав которого меняется по линии JE. В интервале температур от 1450 0С (т.2) до 750 0С (т.3) охлаждается сплав с состоянии аустенита. При температуре от 750 0С (т.3) до 727 0С (т.4) начинается превращение аустенита в феррит, состав которого изменяется по линии GP. Состав аустенита изменяется по линии GS и при температуре 727 0С (т.4) становится равным 0,8 %C. При температуре 727 0С (т.4) весовое количество феррита Ф = ; весовое количество аустенита А = .Чтобы выяснить, что происходит при температуре 727 0С (т.4), устанавливают природу фаз ниже этой температуры. Устойчивыми в этих условиях являются фазы феррит Ф и цементит Ц. Поэтому, при температуре 727 0С (т.4) происходит превращение аустенита по схеме А → (Ф + Ц). Это эвтектоидное превращение, в результате чего образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, которая называется перлитом.

Динамика образования структуры эвтектоидной стали при медленном охлаждении (отжиге) представлена ниже на рисунке 9.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), %

Рисунок 9 - График охлаждения стали, содержащей 0,8 %С

Процессы, происходящие в сплаве в интервале точек 1 - 3 подобны сплаву доэвтектоидной стали. Так как эвтектоидный сплав имеет 0,8 %C, то при температуре точки 3 аустенит превращается в перлит: А → Э(Ф + Ц) – перлит.

Динамика образования структуры затектоидной стали при медленном охлаждении (отжиге) представлена ниже на рисунке 10.

Процессы, происходящие в сплаве в интервале точек от 1 до 3 подобны сплаву доэвтектоидной и эвтектоидной стали. При температурах точек от 3 до 4 у затектоидной стали из аустенита выделяется вторичный цементит ЦII. Так как растворимость углерода в аустените понижается по линии GS и при температуре точки 4 имеет состав 0,8 %C, то при температуре точки 4 аустенит превращается в перлит и структура сплава после охлаждения состоит из перлита и цементита вторичного П + ЦII.

t, 0С t, 0С

Содержание цементита (Fe3C), %

Рисунок 10 - График охлаждения стали, содержащей 1,4 %С

Порядок проведения работы

1) Вычерчивают диаграмму железо-цементит, указавают на ней структуры во всех областях.

2) Вычерчивают равновесную структуру стали и чугуна, указанные в таблице 6 для вашего варианта.

3) Вычерчивают кривые охлаждения и нагревания для заданных в вашем варианте сплавов.

4) При этом определяют структуру сплава в твёрдом состоянии при трех характерных для сплавов температурах и вычисляют относительное весовое количество фазовых структурных составляющих, а также проанализируют превращения в сплаве с применением фаз Гиббса.

Таблица 6 – Варианты заданий

Вариант Вид сплава
Охлаждение Нагрев
Сталь 20 Чугун, углерода 5 %
Чугун, углерода 3,5 % Сталь У9
Сталь У12 Чугун, углерода 4,3 %
Чугун, углерода 5 % Сталь 80
Сталь У10 Чугун, углерода 3 %
Чугун, углерода 4,5 % Сталь 60
Сталь 50 Чугун, содержание углерода 5,5 %
Чугун, углерода 3,5 % Сталь 45
Сталь У8 Чугун, углерода 5,8 %
Сталь 30 Чугун, углерода 4 %




8695463081052343.html
8695523040879904.html

8695463081052343.html
8695523040879904.html
    PR.RU™