Лабораторная работа № 4

Железо-углерод»

 

 

Выполнил студент группы ТД-121

Баходуров Х.А

Проверил: Троицкий Б.С.

 

Кемерово 2015

Лабораторная работа № 4

Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод.

Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве, определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

 

Контрольные вопросы:

 

1.Краткая характеристика компонентов сплавов системы Fe – C (кристаллическая структура, основные свойства).

2.Краткая характеристика фаз образующихся в сплавах системы Fe – C.

3.Основные превращения в сплавах системы Fe – C.

 

1. Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, который может находиться в сплавах в химически связанном состоянии в виде цементита – Fe₃C (Ц) или в свободном состоянии – в виде графита (Г).

Железо плавится при 1539 ^оС, обладает температурным полиморфизмом, т.е. в зависимости от температуры имеет различное кристаллическое строение, его плотность 7,86 ^.10³ кг/м³.

При кристаллизации (1539 ^оС) образуется d-Fe, кристаллическая решетка которого описывается объемно центрированной кубической (ОЦК) решеткой (рис. 4.1 а),длина ребра куба (параметр решетки) а = 0,293 нм (при 1425 ^оС). Железо d существует в интервале температур 1539...1399 ^оС. При 1399 ^оС вместо d-Fe (ОЦК) путем перегруппировки атомов образуется g-Fe с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (рис. 4.1 б), характеризующееся меньшей свободной энергией. Параметр решетки g-Fe а = 0,365 нм (при 950 ^оС); плотность – (8,0...8,1) ^.10³ кг/м³. Оно устойчиво в температурном интервале 1392...910 ⁰С. При 911 ⁰С происходит полиморфное превращение, g-Fe переходит в a-Fe, имеющее ОЦК решетку с параметром а = 0,286 нм (при 20 ⁰С), устойчивое ниже 911 ^оС вплоть до температуры близкой к абсолютному нулю.

Железо a в зависимости от температуры может находиться в различных магнитных состояниях. При температуре выше 768 ⁰С (768...911 ^оС) a-Fe, так же как и g-Fe, – парамагнетик, ниже 768 ⁰С – ферромагнетик. Температура 768 ^оС (точка Кюри) является температурой перехода a-Fe из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении железа и, наоборот, – при его нагреве. Железо aс парамагнитными свойствами иногда называют b-Fe.

 

Как все чистые металлы, железо обладает низкой твердостью и прочностью, высокой пластичностью и вязкостью. Так, железо с содержанием примесей 0,01...0,1% имеет следующие свойства: твердость по Бринеллю НВ = 700…800 МПа; предел прочности на растяжение s_в = 200...250 МПа; относительное удлинение d = 50...55 %., ударная вязкость КС = 220...250 кДж/м².

 

Рис. 4.1. Кристаллическая структура железа:

а – объемно центрированная кубическая (ОЦК) решетка;

б – гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка

 

 

Цементитсодержит 6,67 % углерода, кристаллическая структура его описывается ромбической элементарной ячейкой, образованной атомами углерода (рис. 4.2). Вокруг каждого атома углерода располагаются на расстоянии 0,18...0,20 нм по шесть атомов железа таким образом, что на одну ячейку приходится 4 атома углерода и 12 атомов железа. Поэтому ячейка состоит из трех формульных единиц Fe₃С.

Связь между атомами в цементите сложная: металлическая (Fe – Fe), дополненная ковалентной (Fe – С).Цементит тверд (НВ ~ 8000 МПа) и хрупок (d ~ 0), прочность его на растяжение очень мала (s_в ~ 40 МПа). Температура плавления равна 1450 ^оС. Цементит – фаза метастабильная (временно устойчивая), слабо ферромагнитная, точка Кюри – 210 ^оС. Время устойчивости цементита уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, при температурах, превышающих 950 ^оС, в течение несколько часов он распадается на железо и графит.

Рис. 4.2. Элементарная ячейка кристаллической структуры

цементита:

_° - ионы железа; · - ионы углерода

 

Графит – одна из двух (алмаз, графит) кристаллических модификаций углерода. Структура графита слоистая (рис. 4.3). В слоях атомы углерода расположены по вершинам правильных шестиугольников. Каждый атом кристаллической структуры цементита окружен тремя соседними, находящимися на расстоянии, равном 0,141нм.

Слои через один сдвинуты на 0,141 нм (четные относительно нечетных). Расстояние между ними – 0,335 нм. Связь между атомами в слоях прочная, ковалентного типа, между слоями – слабая молекулярная. При коллективизации валентных электронов в слое графита он приобретает частично физические свойства металлов: высокие тепло- и электропроводность, металлический блеск и непрозрачность. Графит имеет очень низкую прочность, плохо проводит теплоту и электричество в направлениях, перпендикулярных к слоям. Под действием сравнительно небольших внешних усилий он легко расслаивается. Температура плавления графита 3850 ^оС.

Своеобразное строение графита придает ему целый ряд ценных свойств: жаропрочность, высокие тепло- и электропроводность, малый коэффициент трения, склонность к расслаиванию и др. Этими свойствами объясняется применение графита при изготовлении сопел реактивных двигателей и деталей ракет, электротехнических и антифрикционных изделий, смазочных веществ, красок.

 

 

 

Рис. 4.3. Кристаллическая структура графита:

· –ионы углерода гексагональных нечетных слоев; _° – ионы углерода

четных слоев (толстыми линиямипоказана полная ячейка, элементарная ячейка заштрихована)

 

 

2.

В системе Fe –Fe₃С возможны жидкая фаза, представляющая собой жидкий раствор железа и углерода, и 4 твердые - d – феррит, γ – аустенита, α – феррит иFe₃С. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в d – Fe или α – Fe с ОЦК решеткой. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe с ГЦК решеткой. Ликвидус – ABCD, солидус – AHNJECF.

3.

Затвердевание сплавов, содержащих до 0,5 % С, начинается с образования d - ферритапо реакции Ж_AB ® d - Ф_AH (см. рис. 4.4). Характер дальнейшей кристаллизации сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, содержащие до 0,1 % С, полностью затвердевают в интервале температур, соответствующих линиям АВ и АН с образованием однофазной структуры d - феррита. Этой структуре соответствует область диаграммы, лежащая левее линии AHN.

Сплавы с 0,1...0,5 % С кристаллизуются несколько сложнее (рис. 4.4, а, сплав 1). После выделения из жидкости определенного количества d - феррита при 1499 ^оС они испытывают перитектическое превращение:

 

Ж_{В=0,5 % С} + d -Ф_{Н=0,1 % С} ®А_{J=0,16% С.}

 

В перитектическом сплаве, содержащем 0,16 % С (J), обе исходные фазы (Ж + d - Ф), взаимодействуя между собой при перитектическом превращении, без остатка расходуются на образование g -твердого раствора. После этого сплав приобретает однофазную структуру - аустенит.

В доперитектических сплавах, содержащих от 0,1 (Н) до 0,16 % С (J), после рассматриваемой реакции остается в избытке определенная доля d - феррита, который при дальнейшем охлаждении сплавов (в результате перестройки решетки ОЦК в ГЦК) в интервале температур, соответствующих линиям HNи JN, превращается в аустенит

 

Ф_H-N®А_J-N.

 

Заперитектические сплавы (рис. 4.4, а, сплав 1) окончательно затвердевают в интервале температур ликвидус (ВС) - солидус (JЕ), при которых избыточная жидкость, оставшаяся от перитектического превращения, кристаллизуется в аустенит

 

Ж_B-C®А_J-E.

 

Этой реакцией описывается также процесс затвердевания сплавов с содержанием углерода 0,5...2,14 %.

В группе сплавов, содержащих от 2,14 (Е) до 6,67 % С (F), имеется эвтектический сплав с 4,43 % С (С), который при 1147 ^оС (изотерма ECF), будучи предельно насыщенным одновременно углеродом и железом, кристаллизуется по эвтектической реакции:

Ж_{С=4,3 %С} ¹¹⁴⁷ ®А_{Е=2,14 % С} + Ц_{F=6.67 % С}.

 

Образующаяся эвтектическая смесь двух фаз (А+Ц) называется ледебуритом (при данном фазовом составе- ледебурит аустенитный).

Линия АНN(см. рис. 4.4) показывает пределы растворимости углерода в d-Fe, линия GPQ - в a - Fе: 0,02 % С при 727 ^оС (P), 0,01 % С при 600 ^оС, 0,008 % С при 20 ^оС. Феррит левее линии GPQявляется ненасыщенным твердым раствором, на GPQ он предельно насыщен. При охлаждении сплавов, расположенных на диаграмме правее PQ,ниже 727 ^оС из феррита, вследствие его пересыщения, выделяется углерод, что приводит к формированию цементита третичного (Ц_III) в виде сетки по границам зерен феррита. Если же в структуре сплавов (0,02... 6,67 %С) уже есть цементит, то Ц_III наслаивается на него и металлографическим методом не обнаруживается.

Линия ЕS показывает пределы насыщения аустенита углеродом в зависимости от температуры сплава. Растворимость углерода максимальная при 1147 ^оС (Е) - 2,14 %. С понижением температуры она уменьшается до 0,8 % при 727 ^оС (S). В результате аустенит в сплавах правее линии ЕS оказывается пересыщенным твердым раствором и из него выделяется углерод, который идет на образование цементитавторичного (Ц_II). В сталях Ц_II формируется обычно в виде сетки по границам зерен аустенита, в чугунах чаще всего нарастает на цементите ледебурита.

В охлаждающихся сплавах, расположенных между точками Pи S (рис. 4.4, а, сплав 1), по мере образования феррита в указанном интервале температур аустенит обогащается углеродом (GS). При 727 ⁰С содержание углерода в аустените на заключительном этапе достигает 0,8 % (S), решетка g-Fe(ГЦК) теряет устойчивость и перестраивается в решетку a-Fe (ОЦК), в котором при 727 ^оС растворяется только 0,02 % С (Р).

Полиморфное превращение ГЦК®ОЦК сопровождается выделением углерода из раствора и образованием цементита:

 

А_{S=0,8 % С} ⁷²⁷ ® Ф_{Р=0,02% С}+ Ц_К.

Это трехфазное превращение, обусловленное полиморфизмом железа и протекающее при 727 ^оС, называется эвтектоидным. В отличие от трехфазного эвтектического превращения при эвтектоидном исходной фазой является не жидкий, а твердый раствор (в данном случае аустенит). Выделяющаяся из твердого раствора смесь фаз, число которых равно числу компонентов системы, называется эвтектоидом. Структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, образующаяся в результате распада аустенита и состоящая из чередующихся пластинок двух фаз - феррита и цементита, называется перлитом(П). Температура образования перлита соответствует критической температуре А₁.

На диаграмме метастабильного равновесия (см. рис. 4.4) точке А₁ соответствует линия РSК(727 ⁰С). Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах, содержащих более 0,02 % углерода (Р), т. е. в сталях и чугунах. Поэтому в чугунах ледебурит аустенитный при эвтектоидной температуре 727 ^оС видоизменяется, становясь ледебуритом перлитным, Л (А + Ц)® Л (П+Ц).

В качестве примера дополнительно подробно рассмотрим процесс структурообразования при охлаждении стали с 0,4 % С (рис. 4.4, а, сплав 1). Выше точки t₁ сталь находится в жидком состоянии и непрерывно охлаждается.

В интервале t₁®1499 ^оC из жидкой фазы, состав которой изменяется по ликвидусу АВ, выпадают кристаллы d - феррита. Состав их определяется с помощью коноды по солидусу АН

 

Ж_AB^t1®1499 ® d-Ф_AH;

 

С = 2 – 2 + 1 = 1, t ¹ const. При кристаллизации выделяется теплота, на участке кривой t₁ ® 1499 ^оC охлаждение сплава замедляется.

При температуре 1499 ^оC происходит трехфазное перитектическое превращение; С = 2 – 3 + 1 = 0, t = const. Жидкость состава Bвзаимодействует с ранее выпавшими кристаллами d - феррита состава Н. В результате образуется новая твердая фаза - аустенит состава J:

Ж_B+ d_H ®А_J

Перитектическое превращение в заперитектическом сплаве с 0,4 % С завершается с избытком жидкой фазы. Избыточная жидкость кристаллизуется при непрерывном охлаждении в интервале 1499 ^оС ®t₂ с образованием аустенита. В интервале t₂®t₃ закристаллизовавшийся сплав, имеющий структуру А, непрерывно охлаждается. При температурах t₃ ® 727 ^оС происходит полиморфное превращение, ГЦК решетка перестраивается в ОЦК, т. е. аустенит, состав которого изменяется по линии GS, превращается в феррит (по GP). По мере превращения массовая доля аустенита уменьшается, содержание же углерода в нем увеличивается.

Образующаяся решетка феррита (ОЦК) при данных температурах энергетически более выгодна, чем аустенита (ГЦК), и при перестройке решеток выделяется теплота, поэтому сплав на участке t₃ ® 727 ^оС охлаждается замедленно.

При 727 ^оС происходит трехфазное эвтектоидное превращение (изотерма PSK на кривой охлаждения)

 

А_S ®Ф_P + Ц_K,

 

когда из аустенита, непревращенного в феррит, образуется перлит (Ф + Ц). В процессе дальнейшего охлаждения сплава из феррита выделяется Ц_III, наслаивающийся на цементите перлитном. Структура охлаждающейся стали при температурах ниже 727 ^оС - Ф + П.

Массовые доли (%) феррита и перлита как структурных составляющих стали с допустимой погрешностью могут быть определены по правилу отрезков. Например, при 600 ⁰С Ф= (0,8 – 0,4) /(0,8 – 0,01) ^. 100 » 50. Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, Ф= (6,67 – 0,4) /(6,67 – 0,01) ^. 100 » 94. Остальные 6 % приходятся на долю другой фазы - цементита.

Таким образом, структура медленно охлажденной стали, содержащей 0,4 % С, состоит из 50 % феррита и 50 % перлита (согласно фазовому анализу, 94 %Ф + 6 %Ц).

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,7% С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит. (рис. 4.5).

Вывод:

· Изучил диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, анализируя превращения, происходящие в сплавах при охлаждении и нагреве.

· Научился определять фазовые и структурные состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

 

 

 

 

Рисунок 3: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,4% углерода