Вариант 25

Рисунок 1 – Диаграмма состояния «железо-цементит».

1. В чем разница между перлитом и ледебуритом?

Перлит - эвтектоид ,т.е. механическая смесь из цементита и феррита При рассмотрении в микроскоп в виде чередующихся темных и светлых полос . Бывают виды перлита в зависимости от формы цементита: пластичный и зернистый. Перлит как структурная составляющая встречается в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях и в доэвтектическом чугуне. При травлении шлифа стали поверхность имеет перламутровый отлив, поэтому такую структуру называют перлитом. После травления четырехпроцентной азотной кислотой в спирте на шлифе получается микрорельеф, т.к. феррит с меньшим электрохимическим потенциалом, чем цементит, более интенсивно растворяется в кислоте. Кроме того, интенсивно растравливаются границы между цементитом и ферритом.

Ледебурит – эвтектика, т.е. механическая смесь, состоящая из:

- при высоких температурах – из аустенита и цементита t = 1130 –727 ⁰

- при низких температурах ( т.е . ниже линии PSK ) – из перлита и цементита . t < 727 ⁰.

Во всех белых чугунах имеется цементитная эвтектика – ледебурит. Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледебурита - цементитной эвтектики, образующегося при 1130⁰ при эвтектической кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3% и состоящего при температуре 1130⁰ из цементита и аустенита. При следующем охлаждении, при температуре ниже 723⁰ аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебурит состоит из цементита и перлита. В доэвтектических белых чугунах после полного охлаждения будет структура: ледебурит (цементитная эвтектика) плюс перлит плюс цементит вторичный. Микроструктура заэвтектического белого чугуна состоит из ледебурита ( цементитной эвтектики) и первичного цементита.

а б

Рисунок 2 – Микроструктура ледебурита (а) и перлита (б).

2. Из какой фазы и по какой линии при охлаждении выделяется вторичный цементит?

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Структура сплавов после окончания кристаллизации состоит из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита (рис.3), если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.

Рисунок 3 – Микроструктура феррита и цементита третичного.

3. В каком виде находится основная часть углерода в белом чугуне?

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

1. белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

2. серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита

Цементит в белых чугунах присутствует в различных структурных составляющих – в перлите доэвтектических чугунов, в ледебурите во всех чугунах, в структурно-свободном виде (цементит вторичный в доэвтектических и цементит первичный в заэвтектических).

4. Определите содержание углерода в доэвтектоидной стали, если известно, что в структуре имеется около 25% феррита.

Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается.

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах) занимаемую ферритом и перлитом. Т.к. в феррите растворено очень небольшое количество углерода, можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите.

Тогда содержание углерода в стали можно определить по формуле :

С= ,

где С – содержание углерода в стали, %

П – площадь, занимаемая перлитом, %.

Если в структуре 25% феррита, то перлита 75%, тогда: С=0,8*75/100=0,60%

Рисунок 4 – Микроструктура стали С=0,6%.

5. Укажите фазы и структурные составляющие, имеющиеся при комнатной температуре в сплаве с 5,5%С. Дайте характеристику этого сплава.

Сплав 5,5% углерода – чугун заэвтектический, структурные составляющие ледебурит ( состоящий из перлита и цементита) и цементит первичный, фазы - феррит и цементит.

Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе, максимальная растворимость углерода 0,025% при температуре 727 градусов. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Рисунок 5 – Микроструктура заэвтектического белого чугуна.

6. Определите для заданного сплава при температуре 1200^оС химический состав фаз и весовое количество фаз.

c

Рисунок 6 – Дополнительны построения к задаче 6.

Сплав 5.5%С при температуре 1200 градусов состоит из двух фаз –жидкости и цементита. Количество углерода в жидкости соответствует точке а и при температуре 1200 градусов равно 5%, количество углерода в цементите соответствует точке b и составляет 6.67%. Соотношение фаз определяется по правилу отрезков коноды:

Количество жидкости= (сb/аb)*100%=((6.67-5.5)/(6.67 -5)*100%=70%

Количество цементита = (ас/аb)*100%=(5,5-5)/ (6.67 -5)*100%=30%

Вариант 10

Рисунок 1 – Диаграмма железо-карбид железа

1. Приведите для чистого железа критические температуры: точка магнитного перехода, полиморфное превращение α→γ, полиморфное превращение γ→δ.

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определ¨нной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Рисунок 2 – Кристаллические решетки железа: а – объемоцентрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая.

Рисунок 3 – График полиморфных превращений железа.

2. Что такое феррит?

3. Каково максимальное содержание углерода в феррите?

Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит ( ) ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768^o С.

4. Из каких фаз состоят заэвтектоидные стали при комнатной температуре?

Заэвтектоидные стали при комнатной температуре состоят из двух фаз – феррита (см. выше) и цементита. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Цементит входит в состав перлита (основной структурной составляющей заэвтектоидных сталей), также цементит выделяется в виде сетки по краям перлитных зерен.

Рисунок 4– Микроструктура заэвтектоидной стали – перлит и цементит.

5. Укажите фазы и структурные составляющие, имеющиеся при комнатной температуре в сплаве с 4,3%с. Дайте характеристику этого сплава.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами. Сплав, содержащий 4,3% С – это чугун эвтектический. Фазовый состав при комнатной температуре – феррит и цементит. Структурная составляющая ледебурит (эвтектическая смесь перлита и цементита). Эвтектический чугун характеризуется самой низкой температурой плавления (1147 градусов). Кристаллизация и плавление данного чугуна происходят при постоянной температуре.

Рисунок 5 – Микроструктура эвтектического белого чугуна (ледебурит).