Зміст звіту

1 Назва і мета роботи.

2 Результати визначення кольору, густини, твердості, хімічної стійкості та висновки про вид матеріалу, що вивчається, за формою таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Результати випробувань

№ зразка	Колір	Густина ρ, г/см3	Твердість НВ, МПа	Взаємодія з агресивними середовищами	Висновок про вид металу

3 Перелік ознак, за якими зроблено висновок про вид матеріалів, що вивчається.

4. Таблиця, складена за формою таблиці 3.3, в яку крім металів і сплавів, що вивчаються, мають бути внесені всі дані, наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.3 – Зведена таблиця результатів випробувань

Метал (сплав)	Хімічний склад, %	Механічні властивості				Галузь застосування
		σв , МПа	HB, МПа	δ, %	ψ, %

Контрольні запитання

1. Поняття про метали та сплави.

2. За якими ознаками та як класифікуються метали?

3. За якими ознаками та як класифікуються сплави?

4. Методика визначення виду металу за його зовнішніми ознака­ми та окремими властивостями.

5. Які основні компоненти входять до складу сплавів на основі алюмінію?

6. Які основні компоненти входять до складу сплавів на основі міді?

7. Які основні компоненти входять до складу бабітів? Як маркуються бабіти та де використовуються?

8. Охарактеризуйте механічні властивості металів і сплавів, що вивчаються.

9. Галузь застосування металів і сплавів, що вивчаються.

Рекомендована література

[2, с. 160-170, 191-193, 435-436, 490-492]

Лабораторна робота № 4

АНАЛІЗ ДІАГРАМИ СТАНУ ЗАЛІЗО – ЦЕМЕНТИТ

та кривих охолодження

Мета роботи

1. Набути практичних навичок читання діаграми стану залізо -цементит.

2. Навчитись будувати криві охолодження та нагрівання спла­вів даної системи та визначати концентрацію фаз і їх кількісне співвідношення.

Теоретичні відомості

Діаграма стану залізо – цементит дає можливість встановити перетворення, що відбуваються при різних температурах в залізо-вуглецевих сплавах за умов повільного охолодження (рисунок 4.1).

За допомогою діаграми стану для будь-якого сплаву чи його компонента можна, зокрема, встановити:

а) наявність змін у будові сплаву при його нагріванні чи охо­лоджуванні;

б) назву фаз і структурних складових, а також кількість кожної з них при заданій температурі;

в) положення критичних точок;

г) режим термічної обробки сплавів тощо.

Засновником діаграми стану залізо-цементит є Д.К. Чернов, який у 1868 р. вперше відкрив критичні точки в сталі та їх положення залежно від вмісту в ній вуглецю та температури.

Основним компонентом залізо-вуглецевих сплавів є залізо – метал сріблясто-сірого кольору, який має густину 7,8 г/см³ і температуру плавлення 1539 ºС.

У твердому стані залізо може знаходитись у двох модифікаціях: Fe_α (ОЦК) і Fe _γ (ГЦК) . Модифікація Fe_α існує в інтервалах темпе­ратур 0...911 ºС та від 1392 ºС до температури плавлення, а Fe_γ – в інтервалі температур 911...1392 ºС.

До температури 768 ºС залізо перебуває у магнітному стані, при підвищенні температури – стає немагнітним.

Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – роз­чини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.

Розчинність вуглецю, в Fe_α мала і залежить від температури та складає не більше 0,02 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в Fe_α називається феритом. Механічні властивості фериту наступні: σ_в ≈ 300 МПа; δ ≈ 30 %; НВ800 МПа.

Розчинність вуглецю з Fe_γ також залежить від температури і може досягати 2,14 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в Fe_γ називається аустенітом. Він має невисокі міцність і твердість, але більш пластичний ( δ ≈ 60 %).

Залізо з вуглецем утворює також хімічну сполуку Fe₃C (карбід заліза), яка називається цементитом. У ньому міститься 6,67 % C. Він має складну кристалічну гратку. Температура плавлення цементиту близько 1250 ºС (1550 ºС). При нагріванні до температури 217 ºС він є магнітним, має дуже високу твердість (НВ8000 МПа), майже нульову пластичність (δ ≈ 0 %).

Відрізняють: первинний, вторинний і третинний цементит. Первин­ний цементит (Ц_І) виділяється при кристалізації з рідкої фази, вто­ринний (Ц_ІІ) – при вторинній кристалізації з аустеніту, третинний (Ц_ІІІ) – при третинній кристалізації з фериту.

З діаграми стану (рис. 4.1) видно, що первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, що визначаються на лініях лік­відусу (АВСД) і солідусу (АНІЕCF). Вторинна кристалізація викликана перетворенням заліза з однієї алотропної модифікації в іншу та зменшенням розчинності вуглецю в різних модифікаціях заліза.

Діаграма стану сплавів системи Fe – Fe₃ C складається з кількох ділянок, утворених лініями діаграми. Кожна така ділянка характеризу­ється певним структурним станом і відповідним йому вмістом вуглецю. Структурний стан сплаву містить одну чи дві фази, які, в свою чергу, у твердому стані утворюють структурні складові, а решта – структуру сплаву. Структур­на складова – це елемент структури, що складається з однієї чи більше фаз. Структурними складовими є аустеніт, цементит, ферит, перліт, ледебурит, причому останні дві є двофазними, а решта – однофазними.

Лінії діаграми відповідають положенню критичних точок, а останні, як відомо, – фазовим перетворюванням, тобто кристалізації чи плавленню.

Лінії ВС і СД – температури початку кристалізацій відповід­но аустеніту (ВС) та первинного цементиту (СД). При виділенні кри­сталів аустеніту з рідкої фази її склад буде збагачуватись вуглецем і у міру зниження температури змінюватись по лінії ВС (ліквідус).

Склад твердої фази (аустеніту) при цьому буде збагачуватись вугле­цем і змінюватись по лінії ІЕ (солідус). При виділенні з рідкої фази кристалів первинного цементиту її склад буде збіднюватись вуглецем і змінюватись із зниженням температури по лінії СД (солідус).

Склад твердої фази (цементиту) при цьому буде постійним. При досягненні температури 1130 ºС склад рідкої фази для будь-якого сплаву, що знаходиться між точками Е і F буде відповідати точці С (4,43 % С). За цієї температури рідка фаза даного складу буде кристалізуватись з утворенням евтектичної механічної суміші, що складається з аустеніту складу точки Е і цементиту складу точ­ки F. Ця евтектика називаються ледебуритом. Отже, лінія ЕСF відповідає температурі утворення ледебуриту; останній має високі твердість (НВ7000 МПа) і крихкість.

Рисунок 4.1 – Діаграма стану сплавів залізо-цементит

Лінії GS і SE означають температури початку вторинної кристалізації з аустеніту відповідно фериту (GS) і вторинного цементиту (SE). Склад аустеніту при зниженні температури буде зміню­ватись: для сплавів, що лежать ліворуч від точки S₁ – по лінії GS; для сплавів, що лежать праворуч від точки S₁ – по лінії SE. При досягненні температури 723 ºС склад аустеніту буде відповідати точці S (0,83 %). За цієї температури аустеніт складу точки S буде перетворю­ватись в евтектоїдну механічну суміш, що складається з фериту складу точки Р і цементиту складу точки К, яка називається перлітом. Отже, лінія РСК означає температуру утворення перліту.

Перліт має такі механічні властивості: σ_в ≈ 900 МПа, δ ≈ 10%; НВ2000 МПа.

Лінія GP означає температуру кінця вторинної перекристаліза­ції аустеніту у ферит. При охолоджуванні залізо-вуглецевих сплавів нижче лінії РSК починається третинна перекристалізація, пов'язана із зменшенням розчинності вуглецю у фериті.

Лінія РQ означає температуру початку виділення третинного цементиту із фериту.