Решение задач, используя диаграмму «Железо-цементит»

Лабораторная работа № 2

«Построение кривой охлаждения.

Решение задач, используя диаграмму «Железо-цементит»

Цель работы— ознакомление с методами практического ис­пользования диаграммы состояния сплавов системы железо—це­ментит при исследовании процесса кристаллизации железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма состояния сплавов системы железо—углерод — это наглядное универсальное графическое изображение физико-химических процессов, происходящих в железоуглеродистых спла­вах. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состоя­ния сплавов системы железо—цементит (Fе — Fе₃С) (рис. 21.1), поскольку для большинства технических железоуглеродистых сплавов (с массовой долей углерода до 6,69 %) превращения реали­зуются по этой диаграмме.

Диаграмма состояния строится в прямоугольной системе коор­динат. На оси абсцисс откладывается массовая доля углерода от 0 до 6,69 %. На оси ординат (слева) — критические температуры для чистого железа. На оси ординат (справа) — критические темпера­туры сплава с массовой долей углерода 6,69 %.

Линия Р5К соответствует критической температуре 727 °С, при которой происходит первое аллотропное превращение сплава при нагревании (первичная кристаллизация). Линия С5Е — второму ал­лотропному превращению (вторичной кристаллизации). При тем­пературах, лежащих на линии АШЕСР (линия солидуса), сплавы при нагревании начинают плавиться и окончательно затвердевают при охлаждении. При температурах, лежащих на линии АВСО (ли­ния ликвидуса), сплавы при нагревании полностью расплавляют­ся, а при охлаждении начинают затвердевать. Геометрическая фи­гура АЯ/Л/Н соответствует области перитектического превращения сплавов (равновесие с двумя и более фазами). По линиям Р5К и С5Е выбирают температуру для термической и горячей обработки стали. Линия ЬКРП — линия цементита (100 % химического соеди­нения углерода с железом). Линия ОРС — линия низкоуглеродис­того твердого раствора феррита и третичного цементита.

На диаграмме указаны температурные интервалы (границы) го­рячей обработки деталей и инструмента из стали и чугуна (литье, ковка, штамповка, термическая обработка).

Температура заливки жидкого металла (стали и чугуна) в литей­ные формы по нижнему пределу на 150...200 °С выше температу­ры начала кристаллизации. На диаграмме состояния сплавов сис­темы железо —цементит эта температура соответствует линии АВСО. Температура заливки будет зависеть от массовой доли угле­рода в конкретном сплаве. Например, для стали марки 40 темпе­ратуру заливки рассчитывают следующим образом. Начало расплав­ления стали марки 40 происходит при температуре приблизительно 1 500 °С (точка 5). Тогда температура заливки 1 500 °С + 150... 200 °С = = 1 650... 1 700"С. При более низких температурах расплавленную сталь марки 40 заливать нельзя, так как это приведет к дефектам отливки. Верхний предел температуры заливки для сплавов берется выше на 400...500 °С температуры начала кристаллизации сплава.

Температура плавления эвтектического чугуна (1 147°С), точ­ка С) — температура конца заливки сплава в литейную форму оп­ределяется аналогично.

Левая часть диаграммы состояния сплавов системы железо— цементит (для сплавов с содержанием углерода менее 2,14 %) опи­сывает состояние стали. Исследуя эту часть диаграммы, можно оп­ределить температурный интервал термической обработки стали: закалки, высокого, среднего и низкого отпуска, нормализации и различных видов отжига — диффузионного, изотермического, рекристаллизационного, отжига на зернистый перлит, полного, не­полного и низкотемпературного. В основе различных видов терми­ческой обработки лежит следующий принцип: при нагревании и охлаждении (в зависимости от скорости) можно резко или медлен­но изменять микроструктуру сплава, в результате чего меняются его механические свойства. При критической температуре, напри­мер точка 2 для стали марки 40, при охлаждении происходит пре­вращение аустенита в перлит и перлита в феррит. Если в момент распада структур произвести горячую обработку давлением, то начнется деформация атомных решеток (зерен), которая приведет к образованию трещин и дальнейшей хрупкости изделия. В связи с этим при ручной ковке эту критическую температуру пропуска­ют, ковку приостанавливают на некоторое время и снова продол­жают, когда температура опустится ниже критической. Критичес­кая температура характерна ярким свечением заготовки (поковки). Когда свечение затухает, температура падает и ковку можно про­должать.

Сущность метода анализа диаграммы состояния сплавов сис­темы железо—цементит состоит в следующем: на вычерченной в произвольном масштабе на миллиметровой бумаге диаграмме оп­ределить точки, соответствующие интервалам температур горячей обработки конструкционных и инструментальных материалов.

Для проведения лабораторно-практической работы необходимы:

• простые карандаши, линейка;

• образец диаграммы состояния сплавов системы железо—цементит;

• образец диаграммы состояния сплавов системы железо —цементит, относящейся к стали с границами температур­ных режимов горячей обработки.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. Постройте в произвольном масштабе диаграмму состояния сплавов железо—цементит.

2. По диаграмме состояний железо-цементит опишите, какие структурные преобразования будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Покажите на ней структуры по всем зонам, а также характерные линии (ликвидус, солидус, критические точки). Справа от диаграммы постройте кривую медленного охлаждения сплава. Опишите превращение, происходящие в заданном сплаве. Дайте определение всем образующимся по ходу охлаждения структурам. При _____ % С

Пример выполнении. Содержание углерода 2,14 %.

Т.к. содержание углерода в сплаве составляет 2,7 % речь идет о доэвтектическом чугуне. Его кристаллизация протекает следующим образом при температуре 1300 С начинается кристаллизация, в жидком расплаве начинает образовывается аустенит.

Аустенит (назван в честь сэра Уильяма Чандлера Робертс Остина) – твердый раствор углерода (Fe) Содержит до 2,14 % С обладает твердость по Брителю H 13 160.

-при t = 1147 0 C заканчивается процесс кристаллизации, выделяются ледебурит и цементит.

Ледебурит- механическая смесь перлита и цементита.

Цементит-химическое соединение Fe С с процентным содержанием углерода 6,67 %, НВ 800.

-в процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 С до 727 С аустенит объединяется с углеродом и выделяется вторичный цементит.

- при t = 727 C превращается в перлит.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % С, твердость 113 200. Таким образом, охлажденный сплав состоит из перлита, ледебурита и цементита.

2. Определите следующие интервалы температур:

начала и конца заливки в литейную форму следующих конструкционных материалов: стали марок 50, 75, У10; серого литейного чугуна с массовой

долей углерода 2,5; 3;3,5;4и5%;

Контрольные вопросы

1. Опишите принцип построения диаграммы состояния сплавов системы железо—цементит.

2. Охарактеризуйте часть диаграммы состояния сплавов систе­мы железо—цементит, относящуюся к стали.

3. Охарактеризуйте часть диаграммы состояния сплавов системы железо—цементит, относящуюся к чугуну.

4. Укажите на диаграмме состояния сплавов системы железо-цементит граничные линии начала и конца плавления железо-углеродистых сплавов.