Лабораторная работа №3. Диаграмма состояния системы железо-углерод

3.1 Цель работы: изучить диаграмму состояния железо-углерод, освоить методику построения кривых охлаждения сплавов разного состава с использованием правила фаз, ознакомиться со структурами железоуглеродистых сплавов по результатам микроанализа.

3.2 Задание

3.2.1 Используя литературные источники [1] изучить диаграмму состояния железо-углерод.

3.2.2 Вычертить в масштабе диаграмму железо-цементит (рис.3.1).

3.2.3 Провести исследование сплавов с определенным составом, указанном в таблице 3.1:

а) построить кривую охлаждения для заданного сплава (рис.3.2);

б) по правилу фаз определить число степеней свободы системы во всех температурных интервалах кривой охлаждения;

в) зарисовать микроструктуру железо-углеродистых сплавов разного состава (таблица 3.1) и дать ее описание.

3.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.

3.2.5 Составить отчет.

3.3 Основные положения

Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, при котором все фазовые превращения закончились в соответствии с диаграммой Fe – Fe₃C или Fe - Г. Такое состояние сплава может быть получено при медленном охлаждении и исследуется при комнатной температуре. Структуры их рассматриваются при помощи оптического микроскопа.

Рис.3.1. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

В результате взаимодействия железа с углеродом в твердом состоянии образуются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ – феррит, аустенит.

а) феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в решетке объемно-центрированного куба (- феррит) и ( - феррит).

Максимальная растворимость углерода в феррите 0,025% при температуре 727⁰С и 0,1% при температуре 1492⁰С. Феррит мягок и пластичен. Твердость феррита 70-80 НВ.

б) аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в решетке гранецентрированного куба. Максимальная растворимость углерода в аустените при температуре 1147⁰С равна 2,14% и минимальная растворимость при 727⁰С равна 0,8%.

а	б
в	г

Рис. 3.2. Микроструктура углеродистых сталей в равновесном состоянии (х250):

а – техническое железо < 0,02 %С (феррит)

б – доэвтектоидная сталь с 0,2 %С (феррит + перлит);

в – Доэвтектоидная сталь с 0,4 %С (феррит + перлит);

г – доэвтектоидная сталь с 0,6 %С (феррит + перлит);

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ – железо с углеродом образуют ряд химических соединений. Практический интерес представляет химическое соединение Fe₃C, т.е. карбид железа, который называется цементитом (Ц). Цементит образуется при концентрации углерода, равной 6,67%, имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (800 НВ).

Механические смеси – ледебурит (Л) и перлит (П)

а) Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика), образуется при содержании углерода 4,3% и температуре 1147⁰С. В интервале температур 1147⁰С – 727⁰С состоит из аустенита и цементита. Ниже 727⁰С – представляет механическую смесь перлита и цементита.

б) Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид), образуется при охлаждении из аустенита при температуре 727⁰С и содержании углерода, равном 0,8%.

Свойства железо - углеродистых сплавов определяются их составом, структурой, кристаллическим и зернистым строением. В связи с этим при изучении микроструктур железоуглеродистых сплавов необходимо обратить особое внимание на изменение свойств в зависимости от содержания углерода.

По структуре все железоуглеродистые сплавы можно разделить на три основных класса:

- сплавы с ферритной структурой, которые называются техническим железом. К ним относится железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,025%. В сплавах с содержанием углерода 0,006-0,025% возможно наличие цементита (третичного). Микроструктура технического железа представлена на рис.3.2,а;

- сплавы, которые в качестве основной структурной составляющей содержат перлит, называются сталями. Сталь в свою очередь подразделяется на:

а) доэвтектоидную с содержанием углерода от 0,025 до 0,8%, структура которой состоит из феррита и перлита. На рис.3.2,б,в,г показана структура доэвтектоидной стали 40 (0,40%С), состоящая из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна), имеющих пластинчатое строение;

б) эвтектоидную сталь с содержанием углерода 0,8%, структура которой состоит только из перлита (рис.3.3,а);

в) заэвтектоидную сталь с содержанием углерода от 0,8% до 2,14 %. Структура заэвтектоидной стали представлена на рис.3.3,б и состоит из зерен пластинчатого перлита, окруженных вторичным цементитом, который на микрофотографии виден в виде светлой сетки вокруг перлитных зерен;

• сплавы, содержащие в своей структуре ледебурит (эвтектику), относятся к чугунам. Эти чугуны в соответствии с диаграммой называют белыми. Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде химического соединения Fe₃C (цементит). Излом белых чугунов светлый, блестящий и поэтому они получили названием белых.

а

б

Рис. 3.3. Микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии (х450):

а – эвтектоидная сталь с 0,8 %С (перлит);

б – заэвтектоидная сталь с 1,2 %С (перлит и сетка цементита)

Белые чугуны подразделяются на:

а) доэвтектические (при содержании углерода от 2,14 до 4,3%), структура которых (рис.3.4,а) состоит из перлита (темные участки), вторичного цементита (светлые участки) и ледебурита, представляющего собой механическую смесь перлита (темные точки) и цементита (светлые часть шлифа);

б) эвтектический чугун содержит 4,3% углерода, структура которого состоит только из ледебурита (рис.3.4,б);

в) заэвтектический чугун содержит углерода от 4,3 до 6,67%.Структура этих чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита (рис.3.4,в).

Таким образом, чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода от 2,14 до 6,67%.

Белые чугуны не применяются для изготовления изделий литьем, а являются передельными чугунами.

В половинчатом чугуне (рис.3.4,г) большая часть углерода находится в виде цементита, а остальная часть углерода – в виде пластинчатого графита.

а	б
в	г

Рис. 3.4. Микроструктура белых и половинчатых чугунов (х250):

а – доэвтектический белый чугун с 3,5 %С (перлит, цементит и ледебурит);

б – эвтектический белый чугун с 4,3 %С (ледебурит)

в – заэвтектический белый чугун с 6 %С (ледебурит и первичный цементит)

г – половинчатый чугун (перлит, графит, цементит, ледебурит)

Таблица 3.1

Микроструктура железоуглеродистых сплавов

в равновесном состоянии

№ п/п	Марка сплава	% содержания углерода	Микроструктура	Описание структуры	Число фаз	Число компонентов	Увеличение
1	2	3	4	5	6	7	8
1.	Технич. железо
2.	Ст.20
3.	Ст.40
4.	Ст.60
5.	Ст.У8
6.	Ст.У8
7.	Ст.У12
8.	Доэвтек. белый чугун
9.	Эвт. белый чугун
10.	Заэвтек. белый чугун

3.4 Порядок выполнения работы

3.4.1 Изучить диаграмму состояния Fe - Fe₃C и фазовые превращения в сплавах разного состава при нагреве и охлаждении.

3.4.2 Построить кривую охлаждения сплава заданного состава с использованием правила фаз.

3.4.3 Пользуясь оптическим микроскопом МИМ-7 и набором микрошлифов железоуглеродистых сплавов, изучить микроструктуру сплавов разного состава.

3.4.4 Структуру изучаемых сплавов зарисовать в таблице 3.1. и описать ее.

3.4.5 Изучить свойства исследуемых сплавов и область их применения.

3.5 Отчет о работе

3.5.1 Название, цель работы и задание.

3.5.2 Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (рис.3.1).

3.5.3 Описание исследования кривой охлаждения сплава заданного состава с применением правила фаз.

3.5.4 Таблица 3.1 с исследуемыми микроструктурами сплавов разного состава.

3.5.5 Ответ на индивидуальный вопрос.

3.6 Контрольные вопросы

1. Что такое феррит, аустенит, цементит?

2. Что называется перлитом?

3. Что называется ледебуритом?

4. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции.

5. Укажите однофазные области на диаграмме состояния.

6. Какие Вы знаете железоуглеродистые сплавы?

7. Какова растворимость углерода в аустените?

8. Какова растворимость углерода в феррите?

9. Характерная структурная составляющая для сталей и белых чугунов.

10. В какой форме выделяется цементит первичный, вторичный и третичный?

11. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,02%С.

12. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,4%С.

13. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,8%С.

14. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 1,2%С.

15. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 2,5%С.

16. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3%С.

17. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 5%С.