Исследование 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 0÷2,14%
С
находятся стали; 2,14÷6,67 %
С - чугуны. Диаграмма на рис. 1б приведена в упрощенном варианте, а именно,
исключена перитектическая реакция, обусловленная высокотемпературной
модификацией Fe α(β). 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.
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°С 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°С с образованием эвтектической смеси ледебурит (Л).
Ледебурит в интервале температур 1147÷727°С
состоит из А + Ц(Л = А + Ц); при 727°С аустенит превращается в перлит (П); ниже
727°С 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 1147÷727°С
структуру (А + Ц + Л), ниже 727°С (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 t1÷t2
состояние сплава Ж + А. Таким образом, первичная кристаллизация сталей
заканчивается образованием аустенита.
В интервале температур t2÷t3
сохраняется структура аустенита, никаких превращений не происходит. В интервале
температур t3÷t4 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°С содержание углерода в аустените снижается до 0,8% (точки S на диаграмме)
и в интервале времени t4÷t41
происходит эвтектоидная реакция: А превращается в П (на кривой охлаждения рис.
1а -горизонталь). Ниже 727°С структура П + Ц остается без изменений. железоуглеродистый сплав нагрев охлаждение
Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при
температуре до 727°С сохраняется структура аустенита, а при температуре 727°С
происходит эвтектоидная реакция - аустенит превращается в перлит; ниже 727°С
структура П остается без изменений.
Для доэвтектоидных сталей (С < 0,8%) в
интервале между линиями СS - РS происходит изменение кристаллической решетки
железа Fеγ в Fеα:
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°С представляет собой ( П + Ц), при 727 °С
(А←П) и структура в интервале температур t4÷t3
( 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 t3÷t2
изменений не происходит; в интервале температур t2÷t1
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
t7÷t9
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°С в интервале времени τ9
- τ91
происходит эвтектическая реакция, при которой жидкость превращается в ледебурит
(АЕ+Ц=Л). На кривой рис.1в этому процессу соответствует горизонталь (процесс
протекает при постоянной температуре). В интервале температур t9÷t11
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 t7÷t9 (А+Ц+Л). При
температуре 727°С в период времени τ11
- τ111
аустенит (А) по эвтектоидной реакции превращается в перлит (П), (на рис.1в
этому процессу соответствует горизонталь) и структура сплава ниже температуры
727°С (линии РSК) - ( Ц+П+Л).
Для эвтектического чугуна (4,3%С) кристаллизация
происходит при постоянной температуре 1147°С по эвтектической реакции и
завершается образованием ледебурита (Л).
Кристаллизация заэвтектических чугунов
начинается на линии ликвидус СD с выделения цементита Ц и завершается при
1147°С 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 %
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.