Волгоградский государственный педагогический университет

Кафедра общетехнических дисциплин

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Материаловедение»

Волгоград

«Перемена»

2003

УДК

Изучение структуры и свойств железоуглеродистых сплавов: Метод. Указания к лабораторной работе по курсу «Материаловедение»/ Сост. Л.Б.Воеводин.- Волгоград: Перемена, 2003. - с.

Даны краткие теоретические сведения о структуре и свойствах железоуглеродистых сплавов. Сформулированы цель работы и рабочее задание. Приведен порядок ее выполнения.

Для студентов инженерно-педагогического факультета по специальности 03.06.00 «Технология и предпринимательство».

 Л.Б.Воеводин, 2003

Цель работы

Изучение закономерностей изменения микроструктуры в железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении. Установление зависимости микроструктуры и свойствами углеродистых сталей.

Краткие теоретические сведения

Железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны) являются наиболее распространенными конструкционными материалами используемыми в различных отраслях хозяйственной деятельности человека. Это связано с их относительно низкой стоимостью и большим разнообразием механических и других свойств, которые могут быть реализованы в условиях изменения химического состава сплавов и их структуры.

Все многообразие железоуглеродистых сплавов можно описать воспользовавшись диаграммой состояния железо-углерод (Fe – C).

Диаграмма состояния или диаграмма фазового равновесия железо-цементит в удобной графической форме показывает фазовый и структурный состав железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры и концентрации составляющих веществ (железа и цементита) называемых компонентами.

Железо – полиморфный металл и тип его кристаллической решетки зависит от температуры. От абсолютного нуля до 910⁰С существует -железо (Fe_). Его кристаллическая решетка – объемноцентрированный куб (ОЦК). До температуры 768⁰С -железо ферромагнитно.

Критическую точку (768⁰С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А₂. Плотность -железа 7,68 г/см³.

При температуре 910-1392⁰С существует -железо (Fe_), оно парамагнитно и имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Критическую точку

  превращения при 910⁰С обозначают А₃. Выше температуры 1392⁰С железо вплоть до температуры плавления (1530⁰С) имеет также ОЦК-решетку. Обозначают его -железо. Температуру перехода   при 1392⁰С обозначают А₄.

Железоуглеродистые сплавы являются двухкомпонентной системой (Fe-C).

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, образует жидкие и твердые растворы. Может образовывать с железом метастабильное соединение Fe₃C-цементит. Поэтому часто диаграмму железо-углерод рассматривают в виде диаграммы железо- цементит (Fe-Fe₃C) (Рис.1).

В высокоуглеродистых сплавах углерод может присутствовать в сплавах и в виде графита.

В сплавах Fe-C различают следующие фазы:

1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_. Предельное содержание углерода в феррите – 0, 02% (на диаграмме т.Р). При комнатной температуре феррит содержит  0, 01% углерода. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (Рис.2). Феррит имеет примерно следующие механические свойства _в = 250 МПа,  = 50%,

 = 80%, НВ = 800-900 МПа.

2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Предельное содержание углерода в аустените 2,14% (на диаграмме т.Е). Обладает высокой пластичностью, низкой прочностью.

3. Цементит (Ц или Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (иначе карбид железа). Имеет сложную ромбическую решетку. Соединение неустойчивое и при соответствующих условиях (при повышенных температурах и длительных выдержках) разлагается: при температуре ниже 723⁰С на феррит + графит (Fe₃C  Ф + C), а при температуре выше 723⁰С – на аустенит + графит (Fe₃C  А + C ) . Содержание углерода в цементите составляет 6,67%. Особенностью цементита является высокая твердость НV = 10000 МПа и очень малая пластичность.

4. Графит – имеет незначительную твердость, низкую прочность и электропроводность. Образование может происходить также в результате непосредственного выделения из жидкого расплава при медленном охлаждении.

Равновесные состояния в системе Fe –Fe₃C.

В системе Fe – Fe₃C могут быть следующие нонвариантные (без вариантные) равновесия, когда одновременно существуют три фазы.

1. Перитектическое превращение при 1499⁰С

Ж_в + Ф_н  А_у

Происходит перитектическое превращение в сплаве содержащих от 0,1% до 0,5% углерода. Превращение обратимо, на что указывают стрелки в приведенной реакции. На конечную структуру это превращение заметного влияния не оказывает.

2. Эвтектическое превращение при 1147⁰С

Ж_с  А_Е + Ц

Жидкий раствор содержащий 4,3% углерода (проекция т.С на ось концентраций) кристаллизуется в эвтектическую смесь двух фаз состоящую из аустенита (А) содержащего 2,14% углерода (проекция т.Е) и цементита. Эта смесь называется ледебурит.

3. Эвтектоидное превращение при 723⁰С

А_s  Ф_р + Ц

Аустенит с содержанием 0,8% углерода (проекция т.S) превращается в эвтектоидную смесь состоящую из феррита и цементита. Такая смесь называется – перлит (Ф + Ц).

При нагреве сплавов происходит обратные превращения.

По расположению на диаграмме состояния Fe – Fe₃C железоуглеродистые сплавы подразделяются:

Стали доэвтектоидные содержат углерода  0,8%;

Стали эвтектоидные содержат углерода = 0,8%;

Стали заэвтектоидные содержат углерода 2,14  %С  0,8%;

Чугуны доэвтектические содержат углерода 2,14  %С  4,3;

Чугуны эвтектические содержат углерода 4,3%;

Чугуны заэвтектические содержат углерода  4,3%.

Соответсвенно линии на диаграмме Fe – Fe₃С называют BHJ – линия перетектического превращения, ECF – эвтектического превращения PSK – эвтектоидного превращения.

Любая вертикальная линия на диаграмме представляет собой сплав с конкретным содержанием компонентов (железа и цементита). Вертикальная линия при содержании цементита равным нулю, т.е. ось ординат, является чистым железом, а такая же вертикальная линия при 6,67% углерода является цементитом.

Переход из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) в сплавах системы Fe – Fe₃C описывается на диаграмме состояния двумя линиями: ACD –линия начала кристаллизации (ликвидус) и AECF – линия конца кристаллизации (солидус).

Для примера рассмотрим превращения, которые происходят в сплаве I (Рис. 1) с содержанием 1,8%С, используя кривую охлаждения сплава (Рис 1б), которая строится в координатах “Температура – время” и записывается прибором при термическом анализе сплавов.

При охлаждении расплава до температуры Т₁ из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы аустенита. При дальнейшем охлаждении химический состав жидкого раствора будет меняться в соответствии с линией АС, а аустенита – АЕ. При этом количество жидкого раствора уменьшается, а аустенита увеличивается. Определить их количественное соотношение можно воспользовавшись правилом отрезков ( правило рычага).

Кристаллизация сплава заканчивается при достижении температуры Т₂ (линия АЕ). Охлаждение сплава до температуры Т₃ не будет сопровождаться какими-либо изменениями. При температуре Т₃ из аустенита начнут выпадать кристаллы вторичного цементита (Ц_II). Аустенит обедняется углеродом (изменение химического состава в соответствии с линией SE ). При температуре Т₄ (727⁰С) содержание углерода в аустените достигнет 0,8% и будет происходить эвтектоидное превращение (А  П). Ниже температуры 727⁰С формируется конечная структура сплава перлит и цементит вторичный (П + Ц_II)_.

Изломы на кривой охлаждения связаны с изменением теплофизических свойств сплава и выделением скрытой теплоты кристаллизации (при 723⁰С).

Таким образом, зная содержание углерода в стали можно определить ее фазовый и структурный состав. Кроме этого, воспользовавшись правилом отрезков (правило рычага) можно определить их количественное соотношение.

Механические свойства сталей с увеличением количества углерода изменяются в сторону повышения твердости (НВ) и снижение пластичности ( , ). До наступления хрупкости сталей ее прочность растет ( до  0,8%С).

Микроструктуру железоуглеродистых сплавов визуально изучают с помощью металлографического микроскопа на специально подготовленных (шлифование, полирование и травление) микрошлифах. Основными структурными составляющими углеродистых сталей в равновесном состоянии (реально после отжига) являются: феррит (Ф), цементит (Ц), перлит (П), который представляет механическую смесь двух фаз Ф и Ц (Рис.2). Когда же говорят о фазовом составе железоуглеродистых сплавов, то все они состоят только из феррита и цементита.

Микроскопическим анализом можно установить количественное соотношение структурных составляющих в сталях, зная которое определяют содержание углерода в ней.

А) в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях

С = 0,8 х П , %

100

б) в заэвтектоидных сталях

С = 0,8 х П + 6,67 х Ц , %

100 100

где П – площадь шлифа, занимаемая перлитом;

Ц – площадь шлифа, занимаемая цементитом.