Лабораторно-практическая работа № 5

«Диаграмма состояния сплавов системы Железо-цементит»

 

Цель работы: Изучить микроструктуры сталей и белых чугунов с различным содержанием углерода и установить связь между структурами и диаграммой состояния системы железо-цементит (Fe-Fe₃C).

Задание:

1. Изучить диаграмму состояния сплавов системы железо-цементит;

2. Изобразить диаграмму железо-цементит, указать на диаграмме фазовый состав и провести фигуративные линии, соответствующие сплавам с содержанием углерода:

1) 0,01 % С

2) 0,33 % С

3) 0,8 % С

4) 1,31 % С

5) 3,0 % С

6) 4,3 % С

7) 5,0 % С

3. Оформить "Протокол микроанализа сталей и белых чугунов" по шаблону, приведенному в Приложении 1. Зарисовать в протоколе схемы микроструктур, а также заполнить остальные поля. 7 пунктов в протоколе должны соответствовать семи проведённым фигуративным линиям.

 

Диаграмма состояния системы железо-цементит (Fe-Fe₃C) описывает фазовое и структурное состояние системы, состоящей из двух основных ком­понентов – железа и углерода (углерод в виде цементита). Диаграмма состояния системы железо-цементит является разновидностью диаграммы железо-углерод и является метастабильной. Стабильная система – железо-графит.

Любая точка, взятая на диаграмме, показывает температуру сплава и при этой температуре указывает фазовый и химический состав сплава, а также его структуру. Такие точки называют фи­гуративными. Вертикальные линии, проведенные через данные точ­ки, называются фигуративными линиями. Фигуративная линия соответ­ствует определенному химическому составу сплава.

К фазовым составляющим системы Fe-Fe₃C относят: жидкий раствор, аустенит, альфа-феррит (низкотемпературный феррит), дель­та-феррит (высокотемпературный феррит), цементит.

К структурным составляющим системы Fe-Fe₃C относят: альфа-феррит, дельта-феррит, аустенит, цементит, ледебурит, пер­лит.

*Фаза (или фазовая составляющая) – однородная часть системы, определённого состава и агрегатного состояния, отделённая от остальных частей системы поверхностями раздела.

*Структура (или структурная составляющая) – форма, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металле или в сплаве. В структуру может входить несколько фаз.

Т.е. любая фазовая составляющая будет считаться структурной, но не наоборот, так как структура может включать в себя несколько фаз (такая составляющая будет только структурной).

Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Имеет решетку ОЦК. Обладает высокой пластичностью и низкими прочностными свойствами. Является как фазовой, так и структурной составляющей. Механические свойства феррита: σ_в = 250 МПа, σ_т = 120 МПа, δ= 50%, ψ= 80 %, НВ 80-90 (твёрдость по Бринеллю).

Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в гамма-железе. Имеет решетку ГЦК. Устойчив только при высоких температурах. Твердость аустенита в три раза выше, чем у феррита. Аустенит яв­ляется как фазовой, так и структурной составляющей.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом, соответ­ствующее формуле Fe₃C. Обладает высокой твердостью: HV = 1000 (твёрдость по Виккерсу), но очень хрупок. Является как фазовой, так и структурной составля­ющей.

Ледебурит – только структурная составляющая. Образуется за счет диффузионного расслоения жидкой фазы на аустенит и цемен­тит. Ледебурит представляет собой эвтектическую физико-химическую смесь двух фаз – аустенита и цементита. (Л = А + Ц).

Перлит – только структурная составляющая, образующаяся за счет диффузионного расслоения аустенита. Представляет собой эвтектоидную физико-химическую смесь двух фаз: феррита и цементи­та. ( П = Ф + Ц ).

Линии диаграммы состояния являются границами фазовых облас­тей. Они определяют: растворимость железа и углерода во всех фа­зах системы; изменение растворимости при изменении температуры, а также температурные условия плавления и кристаллизации; темпе­ратурные условия структурных и фазовых превращений в сплавах.

Основные линии диаграммы железо-цементит:

АВСD – линия ликвидус системы Fe-Fe₃C. Выше линии ликвидус сплавы находятся в жидком состоянии.

*Ликвидус как точка – точка, отвечающая началу кристаллизации.

*Линия ликвидус - геометрическое место точек ликвидус.

AHIECF – линия солидус системы Fe-Fe₃C. Ниже линии солидус все сплавы находятся в твёрдом состоянии.

*Солидус как точка – точка, отвечающая концу кристал­лизации.

*Линия солидус - геометрическое место точек солидус.

HIB – линия перитектического превращения – при кото­ром происходит физико-химическое взаимодействие двух фаз (твердой и жидкой) с образованием новой твердой фазы – аустенита.

ECF – линия эвтектического превращения. Сущность эвтектического превращения заключается в одновременном выделении двух твер­дых фаз из переохлажденного редкого раствора в изотермиче­ских условиях. В результате эвтектического превращения образуется ледебу­рит:

PSK – линия эвтектоидного превращения. Сущность эвтектоидного превращения заключается в одновременном выделении двух но­вых твердых фаз из переохлажденного твердого раствора в изотермических условиях. В результате эвтектоидного превращения образуется перлит.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода выше 2,14 % называет чугунами.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называют армко-железом или техническим железом.

Все железоуглеродистые сплавы имеющие концентрацию углеро­да менее 0,8 % называют доэвтектоидными сталями. При комнатной температуре они имеют в структуре феррит и перлит. С увеличени­ем количества углерода количество перлита увеличивается.

Железоуглеродистый сплав с содержанием углерода равным 0,8% называется эвтектоидной сталью. Её структура – перлит.

Железоуглеродистый сплавы с содержанием углерода более 0,8% и менее 2,14% называют заэвтектоидными сталями. При комнатной тем­пературе имеют в структуре перлит и цементит.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% но менее 4,3 % называют доэвтектическими белыми чугунами. Их структура при комнатной температуре состоит из эвтек­тики – ледебурита и избыточного перлита.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 4,3% называют эвтектическими белыми чугунами. Структура – ледебурит.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 4,3% называют заэвтектическими белыми чугунами. Структура – ледебурит и цементит первичный.

Диаграмму железо-цементит изучают уже более 100 лет, но до сих пор продолжается её уточнение. На сегодняшний день, все точки диаграммы состояния Fe-Fe₃C имеют общепринятые интерна­циональные обозначения и не могут устанавливаться произвольно.

 

Таблица 1 – Координаты основных точек диаграммы Fe-Fe₃C:

Точка	Температура, °С	Содержание углерода, %	Точка	Температура, °С	Содержание углерода, %
А			S		0,8
В		0,51	Р		0,02
С		4,3	Q		0,01
N			F		6,67
Н		0,1	К		6,67
I		0,16	D		6,67
Е		2,14	L		6,67
G

Линия MO на диаграмме Fe-Fe₃C – переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние (при этом решётка остаётся ОЦК).

 

Вопросы:

1) Что такое сталь? Классификация сталей по содержанию углерода.

2) Что такое чугун? Как подразделяют белые чугуны в зависи­мости от содержания углерода?

3) Что такое ликвидус? Назовите и покажите линию ликвидус системы Fe- Fe-Fe₃C.

4) Что такое солидус? Назовите и покажите линию солидус диаграммы Fe-Fe₃C

5) Что такое феррит? Какую кристаллическую решётку имеет? Свойства.

6) Что такое аустенит? Какую кристаллическую решётку имеет?

7) Что такое ледебурит? Из каких фаз состоит? При каком процентном содержании углерода кристаллизуется чистый ледебурит?

8) Что такое перлит? Из каких фаз состоит? При каком процентном содержании углерода кристаллизуется чистый перлит?

9) Что такое цементит? Свойства. Где на графике содержание цементита 100%?

10) Чем отличаются альфа-феррит и дельта-феррит?

11) Какие составляющие диаграммы Fe-Fe₃C являются исключительно структурными?

12) Назовите и покажите основные линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Дай­те их характеристику.

13) Показать на пустой диаграмме фазы, структуры.

 

 

 

Приложение 1 – Протокол микроанализа сталей и белых чугунов

 

Номер сплава	Наименование сплава	Содержание углерода, %	Микроструктура
Зарисовка структуры	Наименование составляющих
	Техническое железо	0,01
	Доэвтектоидная сталь	0,33
	…	0,8
		1,31
		3,0
		4,3
		5,0

Приложение 2 – Микроструктуры под микроскопом

 

Микроструктура с содержанием углерода 0,01 %

 

Микроструктура с содержанием углерода 0,33 %

 

a b

Микроструктуры с содержанием углерода a – 0,8 % и b – 1,31%

 

 

100 : 1 500 : 1

Микроструктура с содержанием углерода 3,0 %

 

100 : 1 500 : 1

Микроструктура с содержанием углерода 4,3 %

 

100 : 1 500 : 1

Микроструктура с содержанием углерода 5,0 %