Лабораторна робота № 2 Вивчення діаграми стану сплаву „залізо-вуглець”

Мета роботи:

1. Вивчити принципи побудови діаграми „залізо-вуглець”.

2. Ознайомитись з основними поняттями стосовно діаграми і видами структур.

3. Ознайомитись з характером перетворень в сплавах з різним вмістом вуглецю в процесі нагрівання або охолодження.

4. З’ясувати практичне значення діаграми.

Загальні поняття

Більшість технологічних задач можна вирішити вірно, знаючи які перетворення відбуваються в сплаві при нагріванні і охолодженні. При вирішенні цих задач користуються діаграмами стану сплаву.

Діаграма стану сплаву являє собою графічне зображення перетворень в сплаві, які відбуваються в залежності від температур і процентного вмісту компонентів, що утворюють сплав.

Діаграма стану сплаву будується на підставі кривих охолодження, отримуваних шляхом лабораторних досліджень.

Яскравим прикладом діаграми стану подвійного сплаву є діаграма залізовуглецевих сплавів. При розгляді цієї діаграми слід звернути увагу, що максимально можливий вміст вуглецю в цих сплавах ≈6,67%, коли сплав утворює сполуку Fe₃C, яка називається цементит. Оскільки при побудові подвійної діаграми передбачається при побудові сітки координат наявність зліва 100% одного компоненту, а справа – другого, то у випадку залізовуглецевих сплавів передбачається зліва 100% заліза, а справа – 100% Fe₃C. Тому така діаграма носить назву діаграми стану "залізо-цементит". Для зручності по осі абсцис нанесена і зміна процентного вмісту вуглецю. Спрощена діаграма стану Fe–Fe₃C зображена на рис. 2.1.

В цій діаграмі розглядаються процеси кристалізації залізовуглецевих сплавів і перетворень в них при повільному охолодженні від рідкого розплаву до кімнатної температури. на лівій ординаті нанесено критичні точки для чистого заліза, на правій – властиві цементиту.

Діаграма показує фазовий склад і структуру сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту. Сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % називаються сталями, більше 2,14 % - чавунами.

Первинна кристалізація відбувається по лінії АСD. Ця лінія називається лінією ліквідус. Вище цієї лінії сплав знаходиться в рідкому стані.

Лінія АЕСF – називається лінією солідус. Нижче цієї лінії сплав знаходиться в твердому стані.

Рис. 2.1. діаграма стану сплаву "залізо-цементит": А – аустеніт, Ф – ферит, П – перліт, Л – ледебурит, Ц – цементит, Р – рідкий стан.

Вторинна кристалізація (перетворення в твердому стані) відбувається при температурах, які відповідають лініям GSE, PSK, GPQ.

В залежності від температури і концентрації вуглецю сплави мають такі структурні складові:

• ферит – твердий розчин вуглецю в α-залізі. Ферит має незначну твердість (НВ 80-100) і міцність (σ_в= 250 МПа), але високу пластичність (δ = 50%). Найбільша розчинність вуглецю в Fe_α (0,02%) при Т=727⁰С.

• аустеніт – твердий розчин вуглецю в γ-залізі. Гранична розчинність вуглецю в Fe_γ 2,14 % при температурі 1147⁰С. Нижня межа існування аустеніту 727⁰С при вмісті вуглецю 0,8 %. твердість аустеніту НВ 160-200, він має високу пластичність (δ=40-50%).

• перліт - механічна суміш фериту і цементиту, що вміщує 0,8% вуглецю. Перліт може бути пластинчастої форми і зернистим. Механічні характеристики перліту: σ_в = 800 МПа, δ=15%, НВ 160.

• цементит – хімічна сполука Fe₃C, в ньому 6,67% вуглецю, температура плавлення цементиту близько 1600⁰С, дуже твердий (НВ 800), крихкий і практично не пластичний. Цементит нестійкий і за відповідних умов розпадається, виділяючи вільний вуглець у вигляді графіту за реакцією Fe₃C→3Fe+C.

• ледебурит – механічна суміш аустеніту і цементиту з вмістом вуглецю 4,3%.

Перетворення з рідкого стану в твердий (первинна кристалізація)

Як вказувалось раніше, вище лінії АСD сплави системи знаходяться в рідкому стані (Р).

По лінії АС з рідкого розчину починають випадати кристалі твердого розчину – аустеніту. В області АСЕ сплав знаходиться в проміжному стані: в ній будуть знаходитись суміш двох фаз – рідини і кристалів аустеніту.

По лінії СD з рідкого розчину починається випадання кристалів цементиту. В області CFD відповідно будуть знаходитись рідка фаза і тверді кристалі цементиту. В точці С при вмісті вуглецю 4,3 % і температурі 1147^оС відбувається одночасно кристалізація аустеніту і цементиту, утворюючи тонку механічну суміш – евтектику, що називається в цій системі ледебуритом. Ледебурит присутній у всіх сплавах, що містять вуглецю від 2,14 до 6,67 %. Ці сплави належать до групи чавунів.

Чавуни з вмістом вуглецю 4,3 % називають евтектичним, з вмістом вугелцю від 2,14 до 4,3 % – доевтектичним, а від 4,3 % і більше – заевтектичним.

Перетворення в твердому стані (вторинна кристалізація)

Перетворення в твердому стані відбуваються нижче лінії солідус АЕСF Лінії PSK, GSE, OPG свідчать про те, що в сплавах системи в твердому стані відбуваються якісь зміни структури.

Перетворення в твердому стані відбуваються внаслідок переходу заліза з однієї модифікації в іншу, а також в зв’язку зі зміною розчинуваності вуглецю в залізі. Ці перетворення відбуваються при відповідних змінах температур. В області AGSE знаходиться аустеніт. При охолодженні аустеніт по лінії GS розпадається з виділенням фериту, а по лінії SЕ – цементиту. Цей цементит, який випадає з твердого розчину, називається вторинним (Ц_ІІ) на відміну від цементиту первинного (Ц_І), що випадає з рідкого розчину по лінії СD. В області діаграми GSР знаходиться суміш двох твердих фаз – фериту і аустеніту, а в області SE_еІ – суміш вторинного цементиту і аустеніту (що розпадається).

Особливою на діаграмі є точка S. В ній при вмісті вуглецю 0,8 % і при температурі 727^оС весь аустеніт розпадається, одночасно кристалізуючись з утворенням тонкої механічної суміші фериту і цементиту – евтектоїд, що називається в цій системі перлітом. Сталь з вмістом вуглецю 0,8 % називається евтектоїдною, менше 0,8 % С – заевтектоїдною, а від 0,8 до 2,14 % С – заевтектоїдною.

По лінії PSK відбувається розпад аустеніту, що залишився в будь-якому сплаві системи, з утворенням перліту; тому ця лінія ще називається лінією перлітного (евтектоїдного) перетворення.

При порівнянні між собою перетворень в точках С і S діаграми можна зробити такі висновки:

1. Вище точки С знаходиться рідкий розчин, а вище точки S – твердий розчин (аустеніт).

2. В точці С сходяться криві АС і СD, що вказують на початок виділення кристалів з рідкого розчину (первинна кристалізація); в точці S сходяться лінії GS та ЕS, які свідчать про початок виділення кристалів з твердого розчину аустеніту (вторинна кристалізація).

3. В точці С рідкий розчин кристалізується з утворенням евтектики - ледебурита, а в точці S твердий розчин перекристалізується з утворенням евтектоїду – перліту.

4. На рівні точки С лежить пряма EF евтектичного (ледебуритного) перетворення; на рівні точки S – пряма РК евтектоїдного (перлітного) перетворення.

Забезпечуючі матеріали

Для виконання лабораторної роботи студентами видається інструкція, в якій наведено діаграму Fe–Fe₃C, або пропонується плакат з такою ж діаграмою. Для користування видаються методичні вказівки до розділу „Матеріалознавство” і підручники „Прикладне матеріалознавство”.

Порядок виконання роботи та склад звіту

Студенти знайомляться з основними теоретичними положеннями до теми, знайомляться з структурою діаграми, роблять відповідні записи і рисунок діаграми Fe–C і дають відповіді на контрольні запитання та виконують домашнє завдання.

Контрольні запитання

1. Чому на діаграмі «залізо-вуглець» максимальна кількість вуглецю становить 6,67%?

2. Яке значення мають критичні точки на діаграмі «залізо-вуглець»: A₁ (PSK), A₂ (768 C), A₃ (GS), A₄ (1392 C), A_ст (SE).

3. Якими структурами та властивостями характеризуються евтектичні та евтектоїдні суміші?

4. Яка різниця між евтектоїдною точкою (S) та евтектичною (C)?

Домашнє завдання

За додатком виконати домашнє завдання №3 та №4. Завдання виконується письмово після складання звіту про лабораторну роботу.