методичка (Методические указания к лабораторным работам по курсу - Компьютерное материаловедение), страница 2

Выше 1392 °C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ.Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности σв = 250 МПа,предел текучести σт = 120 МПа) и высокими характеристикамипластичности (относительное удлинение δ = 50 %, относительное сужение ψ = 80 % ).Железо образует твердые растворы: с металлами – растворызамещения; с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.Цементит Fe3C – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,69 % углерода. Кристалличе10ская решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которыхнаклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (приблизительно она составляет 1250 °С).Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую пластичность.В решетке цементита атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азота, кислорода; атомы железа – металлами:марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой цементит называется легированным.В системе «железо – цементит» существуют следующиефазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод влюбых концентрациях с образованием однородной жидкой фазы.Феррит Ф – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,006 % при комнатной температуре (точкаQ на диаграмме состояния), максимальную 0,02 % при температуре 727 °С (точка P).

Углерод располагается в порах решеткижелеза.При температуре выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит Фδ с предельной растворимостью углерода 0,1 %при температуре 1499 °С (точка J).Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок(твердость 130 НВ, предел прочности σв = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ = 30 %).Аустенит А – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Аустенит имеет переменную предельную растворимостьуглерода: минимальную 0,8 % при температуре 727 °С (точка S),максимальную 2,14 % при температуре 1147 °С (точка Е).Твердость аустенита 200…250 НВ, относительное удлинениеδ = 40…50 %.В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный ЦI, цементит вторичный ЦII, цементит третичный ЦIII. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы ввиде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичныйвыделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокругзерен аустенита. Цементит третичный выделяется из феррита ив виде мелких включений располагается у границ ферритныхзерен.11Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

Линия АВСD на рис. 2.1 – ликвидус системы. На участкеАВ начинается кристаллизация феррита Фδ, на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита Фδ. На линии HJB при постоянной температуре 1499 °С идет перитектическое превращение,заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита Фδ, в результате чего образуется аустенит:Ф0,1 + Ж0,51 → А0,16На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. Научастке ECF при постоянной температуре 1147 °С идет эвтектическое превращение – жидкость, содержащая 4,3 % углерода,превращается в смесь аустенита и первичного цементита:Ж4,3 → А2,14 + Ц6,69Эвтектика системы «железо – цементит» называется ледебуритом Л по имени немецкого ученого А.

Ледебура.При температуре ниже 727 °С в состав ледебурита входятцементит первичный и перлит – такой ледебурит называют перлитным.По линии HN начинается превращение феррита Фδ в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. Полинии NJ превращение феррита Фδ в аустенит заканчивается.По линии GS начинается превращение аустенита в феррит,обусловленное полиморфным превращением железа.

По линииPG превращение аустенита в феррит заканчивается.По линии ES начинается выделение цементита вторичногоиз аустенита, так как растворимость углерода в аустените припонижении температуры уменьшается.По линии PSK при постоянной температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение – аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в пластинчатую смесь феррита и цементита:А0,8 → Ф0,02 + Ц6,6912Эвтектоид системы «железо – цементит» называется перлитом П потому, что на полированном и протравленном шлифенаблюдается перламутровый блеск.По линии PQ начинается выделение цементита третичногоиз феррита, обусловленное снижением растворимости углеродав феррите при понижении температуры.Структуры железоуглеродистых сплавов. Все сплавы системы«железо – цементит» по структурному признаку делят на двебольшие группы: стали и чугуны (рис.

2.2).Особую группу составляют сплавы с содержанием углеродаменее 0,02 % (точка Р), их называют техническое железо. Ихструктура представляет собой феррит с сеткой третичного цементита по границам зерен (рис. 2.2, а).Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,08…2,14 % углерода, кристаллизациякоторых заканчивается образованием аустенита. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные со структурой Ф + П (рис.

2.2, б); эвтектоидную соструктурой перлита П (рис. 2.2, в) (перлит может быть пластинчатый или зернистый); заэвтектоидные со структурой П ++ ЦII, где цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита (рис. 2.2, г).Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,69 %углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют белыми чугунами. Они отличаютсявысокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышаетих литейные свойства.По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические со структурой П + Л + ЦII(рис.

2.2, д); эвтектический со структурой ледебурита Л; заэвтектические со структурой Л + ЦI (рис. 2.2, е).Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же: они состоят из феррита и цементита.Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются.Определение количественного соотношения фаз в сплавах проводится по правилу отрезков.Пример. В железоуглеродистом сплаве максимальное содержание вторичного цементита составляет 7 %.

Определить содержание углерода в данном сплаве.13абвгдеРис. 2.2. Структуры железоуглеродистых сплавов:а – технического железа; б – доэвтектоидной стали; в – эвтектоиднойстали; г – заэвтектоидной стали; д – доэвтектического белого чугуна;е – заэвтектического белого чугунаРешение. Вторичный цементит имеется в сплавах, содержащих 2,14…6,69 % углерода (см. рис. 2.1) и выделяется приуменьшении растворимости углерода в аустените.

Это уменьшение показывает линия переменной растворимости SE: чем нижетемпература, тем больше выделяется вторичного цементита.Максимальное содержание вторичного цементита сплав будетиметь при температуре, соответствующей линии PSK и ниже.Пусть Х – неизвестная концентрация углерода в сплаве. Притемпературе чуть выше линии PSK в сплаве две фазы – аустенити цементит. Количественное соотношение этих фаз можно определить по правилу отрезков:Аn=.Цm14Известно, что в сплаве 7 % цементита, т. е.

Ц = 0,07(А ++ Ц). Отсюда m = 0,07(n + т). По диаграмме состояния определяем, что n + m = SK = 6,69 – 0,8 = 5,89.Из этих двух условий находим т = 0,41; отсюда Х = 0,8 ++ 0,41 = 1,21. Сплав является заэвтектоидной сталью.Методика выполнения работы1. Получить вариант задания. Решить задачу – рассчитатьсодержание углерода в сплаве.2. Построить кривую охлаждения сплава.

Программа Diagпозволяет перемещать курсор по полю диаграммы «железо –цементит». В правом верхнем углу появляется схематичное изображение структурных составляющих, присутствующих в сплавес данной концентрацией углерода при данной температуре.3. Зарисовать структуры сплава при различных температурах.4. Записать фазовый и структурный составы сплава поокончании охлаждения (при комнатной температуре).Контрольные вопросы1. Какие фазы присутствуют в сплавах железа с углеродом?2. Какие структурные составляющие встречаются в сплавахжелеза с углеродом?3. Чем стали отличаются от белых чугунов? Почему белыечугуны хрупкие?4. Как называется изотермическое превращение жидкойфазы в механическую смесь двух твердых фаз?5. Что такое перлит, как он образуется, каковы его свойства?6.

Какие твердые растворы на основе железа существуют,каковы их свойства?7. Какая промежуточная фаза встречается в сплавах железас углеродом, каковы ее свойства?8. Как определить количественное соотношение фаз всплаве?9. Как образуется цементит в сплавах железа с углеродом?Укажите все пути образования цементита.10.

Что такое эвтектоидное превращение, как оно происходит в сплавах железа с углеродом?15Работа № 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКАУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙЦель работы – изучить влияние технологических параметров термической обработки на структуру и свойства деталей изуглеродистых сталей.Теоретическая частьВиды термической обработки сталей. Углеродистые стали –технологичные и относительно недорогие материалы. В зависимости от условий эксплуатации и требований к деталям машини инструменту применяют различные виды термическойобработки. Для выбора режимов термической обработкипользуются стальным участком диаграммы состояния «железо –цементит» (рис. 3.1). При термической обработке линиидиаграммы имеют следующие обозначения:PSK –A1 (при нагреве Ас1, при охлаждении Аr1);GS – A3 (при нагреве Ас3, при охлаждении Аr3);SE – Aст (при нагреве Асст, при охлаждении Аrст).Рис.