Вариант 6

Рисунок 1 – Диаграмма состояния «железо-цементит».

1. Дайте определение цементита

Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

2. Приведите структурные составляющие сталей в порядке возрастания содержания углерода

1 Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе, максимальная растворимость углерода 0,025% при температуре 727 градусов. С понижением температуры растворимость углерода в феррите снижается практически до 0%

2 Перлит – механическая эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз – феррита и цементита. Механические смеси образуются при строго определенной концентрации компонентов. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%

3 Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе, максимальная растворимость углерода в аустените 2,14% при температуре 1147 градусов, с понижением температуры растворимость снижается до 0,8%

4 Ледебурит - механическая эвтектическая смесь. Фазовый состав ледебурита зависит от температуры. При температуре выше 727 градусов – смесь аустенита и цементита, при температуре ниже 727 градусов – смесь феррита и цементита. Концентрация углерода в ледебурите составляет 4.3%

5 Цементит – химическое соединение карбид железа со стехиометрической формулой Fe₃C. Цементит образуется при строго определенной концентрации компонентов и содержит в своем составе 6,67% С.

а б в г

Рисунок 2 – Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов: а – феррит в технически чистом железе, б – аустенит в коррозионностойкой стали аустенитного класса, в – перлит пластинчатый в стали эвтектоидного состава, г – цементит первичный (светлые пластины) и ледебурит в заэвтектическом чугуне.

3. Определите содержание углерода в стали, состоящей из 95% перлита и 5% цементита

Содержание углерода в стали можно определить следующим образов:

(Количество перлита х содержание углерода в перлите ) + (количество цементита х содержание углерода в цементите)

С=0,95х0,8+0,05х6,67=0,76+0.33=1,09 примерно 1,1%С

4. Определите химический состав фаз для указанной выше стали при температуре эвтектоидного превращения

При эвтектоидном превращении, протекающем на линии диаграммы PSK при температуре 727 градусов в равновесии находятся три фазы: аустенит с концентрацией углерода 0.8%, феррит с концентрацией углерода 0,025% и цементит с концентрацией углерода 6,67%. Эвтектоидная структурная реакция заключается в распаде аустенита с образованием механической смеси (перлита), состоящей из феррита и цементита.

А_0.8=Ф_0,025 + Ц_6,67

Рисунок 3 – Часть диаграммы состояния железо-цементит.

5. Назовите линию солидус на диаграмме

Линия солидус АНJECF – это линия конца первичной кристаллизации.

На участке АН заканчивается кристаллизация феррита ( ). На линии HJB при постоянной температуре 1499⁰С идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита ( ), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

6. Какая форма графитных включений встречается в чугунах?

Чугуны отличаются от стали только наличием графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом. Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение ( ) дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Рисунок 4 – Формы графита и структура матрицы в чугунах: а – ферритный чугун с пластинчатым графитом; б – ферритный чугун с вермикулярным графитом (разновидность пластинчатого); в – ферритно-перлитный чугун с пластинчатым графитом; г – перлитный чугун с пластинчатым графитом; д – ферритно-перлитный чугун с шаровидным графитом; е – перлитный чугун с шаровидным графитом.

Вариант 15

Рисунок 1 – Диаграмма состояния «Железо-цементит».

1. Какова линия солидус на диаграмме?

Линия солидус АНJECF – это линия конца первичной кристаллизации. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита ( ). На линии HJB при постоянной температуре 1499⁰С идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита ( ), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

2. Что представляет собой аустенит?

3. Какова максимальная растворимость углерода в аустените?

а

Рисунок 2 – Микроструктура (а) и кристаллическая решетка аустенита (б).

Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. В структуре доэвтектоидной стали около 25% феррита. Сколько в ней будет содержаться углерода?

Содержание углерода в доэвтектоидной стали определяется, исходя из следующих соображений: структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита, содержание углерода в феррите составляет около 0%, содержание углерода в перлите составляет 0,8%, поэтому :

%С=0,8*П/100,

где П – площадь, занимаемая перлитом.

Так как содержание феррита составляет 25% , поэтому содержание перлита в структуре составляет 75%. %С = 0,8*75/100=0,6%

Рисунок 3 – Микроструктура стали с 0,6% С.

5. Будет ли изменяться твердость белого чугуна при увеличении в нем содержания углерода?

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют белыми чугунами. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Микроструктуры белых чугунов представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун ; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун .

 

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические , структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ; эвтектические , структура ледебурит (Л); заэвтектические , структура ледебурит + цементит первичный .

С увеличением содержания углерода в белом чугуне увеличивается доля твердой структурной составляющей – цементита, поэтому с увеличением содержания углерода твердость белого чугуна увеличивается.