Требования к отчету

В отчете должны быть указаны название и цель работы, дана краткая запись плана работы, приведены таблицы с экспериментальными данными, графики, выводы и объяснения закономерностей изменения твердости при закалке и старении сплава Д16.

Контрольные вопросы

1. Что такое закалка?

2. Зачем необходимо ускоренное охлаждение при закалке?

3. Каково основное назначение закалки алюминиевых сплавов?

4. Как по диаграмме состояния двойной системы выбирать интервал закалочных температур?

5. Как влияет температура закалки алюминиевых сплавов на прочность и твердость?

6. Почему нежелателен недогрев при закалке?

7. Что такое пережог и почему его следует избегать?

8. Какие структурные изменения происходят в -растворе при старении алюминиевых сплавов?

9. Какие стадии старения можно выделить?

10. Что такое зоны Гинье-Престона?

11. Чем вызвано упрочнение при старении?

12. Чем вызвано разупрочнение при старении?

13. Какое структурное состояние характерно для сплава, состаренного на максимальную прочность?

14. Что такое естественное и искусственное старение?

15. Как изменяются механические свойства при увеличении температуры и продолжительности старения?

Лабораторная работа № 5 диагарамма состояния Fе-c (Fe-Fe3c)

Цель работы: изучить структуру сталей с различным содержанием углерода.

Порядок выполнения работы:

1. Используя диаграмму состояния записать процессы формирования структуры сталей с содержанием углерода: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2%.

2. Записать в буквенной форме структуру сталей при комнатной температуре.

3. Подсчитать по правилу рычага относительное весовое (массовое) количество структурных составляющих в сталях.

4. Изучить под микроскопом и схематично зарисовать структуру сталей и указать стрелками структурные составляющие.

5. Записать выводы по работе, указав различие в структуре до- и заэвтектоидных сталей.

6. Зарисовать структуры чугунов.

Методические указания к выполнению работы

Стали - это сплавы железа с углеродом, в которых содержится до 2,14% углерода. Для того чтобы определить фазовый состав и структуру той или иной стали, необходимо обратиться к диаграмме состояния “железо-углерод”.

Диаграмма состояния “железо-углерод” показана на рис. 17. Для сталей практический интерес представляет диаграмма, вычерченная сплошными линиями. Это диаграмма состояния “железо-цементит” (Fe-Fe₃C), она и будет рассмотрена в дальнейшем. Как следует из диаграммы, при взаимодействии железа с углеродом в системе железоуглеродистых сплавов образуются следующие фазы: L - жидкий раствор углерода в железе: , ,  - твердые растворы углерода соответственно в Fe_, Fe_, Fe_; Fe₃C - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа. В таблице 7 дана краткая характеристика фаз, а также приведены значения твердости НВ фаз  и Fe₃C. Твердость фазовой смеси перлита (+Fe₃C) составляет порядка 180-200 НВ.

Рис. 17. Диаграмма состояния “железо-углерод (цементит)”

Таблица 7

Фаза	Тип кристал-лической решетки	Температурный интервал гомо- генности, С	Предельная растворимость углерода, %	Название фазы	Твердость НВ
	ОЦК	ниже 911	0,025 при 727С	феррит	80
	ГЦК	727-1490	2,14 при 1147С	аустенит	170-200
	ОЦК	1392-1539	0,1 при 1499С	-феррит
Fe3C	сложная ромбическая	устойчив до 560С	постоянная 6,67	цементит	800

Рассмотрим, используя диаграмму состояния “железо-цементит” превращения, происходящие в сталях при кристаллизации и последующем медленным охлаждении в твердом состоянии.

В сталях, содержащих до 0,5%С, кристаллизация начинается при температурах, соответствующих линии ликвидус АВ. Из жидкого раствора выделяются первичные кристаллы -фазы: L^I.

Кристаллизация сталей с содержанием углерода от 0,5 до 2,14% начинается при температурах, отвечающих линии ликвидус ВС. Из жидкого раствора выделяются первичные кристаллы -фазы: L^I.

Стали с содержанием углерода 0,1-0,5% при температуре 1499С испытывают перитектическое превращение:

L_0,5%C+_0,1%C_0,16%C

На диаграмме оно представлено перитектической горизонталью HJB (1499С) с концентрационными точками Н (0,1% С); В (0,5% С) и J (0,16% C).

При температурах ниже линий NJ и JE все стали находятся в однофазном состоянии -твердого раствора и имеют одинаковую структуру, состоящую из зерен аустенита.

Дальнейшее охлаждение приводит к развитию следующих превращений. В сталях, содержащих <0,8%C, при температурах показанных линией GS, происходит полиморфное превращение . Превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между аустенитом, состав которого изменяется по линии GS и ферритом, состав которого изменяется по линии GP.

Полная перекристаллизация аустенита в феррит происходит в сплавах, содержащих <0,025%C. Температуры конца  превращения показаны на диаграмме линией GP. Ниже линии GP структура сплавов состоит из зерен феррита. При температурах, соответствующих линии PQ (линия предельной растворимости углерода в -железе), содержание углерода в феррите становится предельным и при дальнейшем понижении температуры из феррита выделяется цементит, называемый третичным: Fe₃C^III. Структура:  + Fe₃C^III.

В сталях с содержанием от 0,025% С до 0,8% С ниже температур линии GS происходит частичная перекристаллизация аустенита в феррит. Концентрация углерода в аустените при температуре 727С достигает 0,8%.

Стали, содержащие более 0,8% С, находятся в аустенитном состоянии до температур, отвечающих линии SE. Линия SE соответствует предельной растворимости углерода в -железе. При температурах ниже линии SE из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным: Fe₃C^II. В результате выделения вторичного цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии SE и при 727С достигает 0,8%.

При температуре 727С в сталях с содержанием углерода от 0,02% С и более совершается эвтектоидное превращение, которое заключается в распаде аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - смеси феррита (0,025%С) и цементита (6,67%С):

_0,8%С_0,025%СFe₃C_6,67%С.

На диаграмме эвтектоидное превращение представлено эвтектоидной горизонталью PSK (727С) с концентрационными точкамиS (0,8%C), P (0,025% С) и К (6,67% С).

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (+Fe₃C).

По окончании эвтектоидного превращения сталь с содержанием углерода 0,8% состоит только из перлита (эвтектоидная сталь). В доэвтектоидных сталях, содержащих менее 0,8% С, эвтектоидному превращению предшествует  превращение, в результате которого образуются самостоятельные зерна феррита. Поэтому по окончании эвтектоидного превращения структуру доэвтектоидной стали можно записать следующим образом: +(+Fe₃C). В заэвтектоидных сталях (>0,8%C) эвтектоидному распаду аустенита предшествует выделение из него цементита вторичного. Структура стали, соответственно, может быть записана как: Fe₃C^II+(+ Fe₃C).

При охлаждении сталей ниже 727С предельная концентрация углерода в -фазе уменьшается (см. линию PQ), и из феррита выделяется цементит третичный: Fe₃C^III.

Относительное весовое количество структурных составляющих после охлаждения сталей до комнатной температуры подсчитывают по правилу рычага. В доэвтектоидной стали количество феррита и перлита определяется отношением:

где Х - концентрация углерода в стали. Количество цементита третичного в доэвтектоидной стали мало и его обычно не определяют.

Под микроскопом зерна феррита - светлые, перлит имеет пластинчатое строение и, поэтому, выглядит темным. Цементит вторичный в виде тонкой светлой сетки окружает зерна перлита. Цементит третичный в эвтектоидной и заэвтектоидных сталях металлографически не выявляется.

а)	б)
в)	г)
Рис. 18. Структура углеродистых сталей: а) 0,2%С; б) 0,45%С; в) 0,8%С; г) 1,3%С.