На правах рукописи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова

Кафедра «Городское строительство и хозяйство»

Контрольная работа

по дисциплине

Технология конструкционных материалов

Методические указания

Составил д.т.н. Шильцина А.Д.

Абакан 2014

Тема 1. Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Задание 1. Построить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, описать фазовые превращения при охлаждении сплава заданного состава, определить количество фаз в сплаве, находящихся в равновесии при заданной температуре, построить кривую охлаждения для сплава заданного состава.

Краткие теоретические сведения

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов показана на рис. 1. Сплошными линиями представлено метастабильное (неустойчивое) состояние железо-цементит, когда углерод в сплавах находится в виде цементита, а пунктирными линиями представлено стабильное состояние железо-углерод, когда углерод в сплавах находится в виде графита.

Каждый студент выполняет задание только по диаграмме железо- цементит (сплошные линии) для своего варианта согласно порядковому номеру в журнале преподавателя. При этом для первой группы (например, гр. 134-1) выбирается вариант в пределах 1-25, а для второй группы (например, гр. 134-2) - в пределах 25-50 с прибавлением к порядковому номеру фамилии цифры 25. Например, для студента с порядковым номером фамилии в журнале 17, номер варианта будет 42 (17+25). Для студентов заочной формы обучения вариант соответствует последней цифре номера зачетной книжки. Варианты заданий приведены в таблице.

Прежде всего, нужно ознакомиться с диаграммой состояния. Она изображена в двух осях: вертикальная ось температур от 600 до 1600 °С и горизонтальная ось концентраций углерода в сплаве от 0 до 6,7%. Фигуративными линиями диаграмма разделена на области, внутри которых существуют определенные фазы, например, жидкость, аустенит + жидкость, аустенит (рис. 1). Некоторые линии и точки на диаграмме состояния имеют определенное название и физический, смысл. Верхняя линия ABCD называется линией ликвидуса ликвидус – жидкий). Это означает, что сплавы всех составов при температурах выше этой линии находятся в жидком состоянии. Линия AHJECF называется линией солидуса (солидус – твердый). Значит, сплавы всех составов при температурах ниже этой линии находятся в твердом состоянии. Во всех областях ниже линии солидуса отсутствует жидкость (рис.1). В областях между линиями ликвидуса и солидуса наряду с твердыми фазами присутствует жидкость, например, аустенит + жидкость или цементит + жидкость (рис. 1).

Таблица 1

Варианты заданий

Номер варианта	Количество углерода в сплаве, %	Температуры для определения количества фаз, °С	Номер варианта	Количество углерода в сплаве, %	Температуры для определения количества фаз, °С
1	0,2	680; 750	26	0,3	720; 1500
2	0,4	640; 800	27	0,7	727; 1450
3	0,5	700; 1500	28	1,1	680; 1000
4	0,6	670; 1400	29	1,3	880; 1400
5	0,8	620; 1480	30	1,7	680; 1100
6	0,9	600; 1500	31	1,9	727; 1300
7	1,0	730; 1400	32	2,2	727; 1147
8	1,2	780; 1450	33	2,6	620; 1200
9	1,6	800; 1300	34	3,2	1000; 1200
10	1,8	900; 1250	35	3,6	620; 1147
11	2,0	1200; 1400	36	4,0	727; 1147
12	2,9	900; 1200	37	4,4	620; 1100
13	3,5	680; 1180	38	5,2	727; 1200
14	3,8	720; 11150	39	5,8	1000; 1300
15	4,3	600; 1150	40	6,1	1147; 1400
16	4,6	780; 1150	41	1,9	680; 1000
17	4,8	1000; 1200	42	0,8	727; 1100
18	5,1	1100; 1250	43	4,3	727; 1147
19	5,6	620; 1300	44	2,3	727; 1100
20	6,0	840; 1400	45	2,5	900; 1200
21	6,4	920; 1520	46	2,8	640; 1200
22	1,9	680; 1100	47	5,3	680; 1200
23	0,05	700;840	48	6,5	727; 1147
24	0,18	700;800	49	6,6	650;1230
25	4,5	700; 1000	50	4,5	727; 150

Рисунок 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов: Ж - жидкость, А - аустенит, П - перлит, Цд - цементит вторичный, Ц - цементит первичный, JI - ледебурит.

Для некоторых фаз в скобках дается расшифровка их состава. Перлит - смесь феррита и цементита (рис.1). Ледебурит – смесь аустенита и цементита при температурах выше 727 °С, но ледебурит - смесь перлита и цементита при температурах ниже 727 °С (рис.1).

На диаграмме состояния есть две эвтектические точки С и S. Составы сплавов, соответствующие этим точкам, называют эвтектическими. Эвтектическим называют состав с самой низкой температурой плавления на данной диаграмме состояния. Для отличия двух эвтектических точек за точкой С сохраняют название эвтектика, а точку S называют эвтектоид. Точке С соответствует сплав, содержащий 4,3% углерода. Это эвтектический чугун, фаза эвтектического чугуна ледебурит. Точке S соответствует сплав, содержащий 0,8% углерода. Это эвтектоидная сталь, фаза эвтектоидной стали перлит. Составы, расположенные на диаграмме состояния левее эвтектических, называют соответственно доэвтектический чугун (С меньше 4,3%) и доэвтектоидная сталь (С меньше 0,8%). Составы, расположенные правее эвтектических на диаграмме состояния, соответственно называют заэвтектический чугун (С больше 4,3%) и заэвтектоидная сталь (С больше 0,8%).

Для описания процесса кристаллизации заданного состава сплава в определенном интервале температур нужно прежде всего на оси концентраций углерода отметить заданный состав (Xi), например 5,0% С (рис. 1). Провести через заданный состав вверх вертикальную линию и вывести состав в область жидкости, отметить температуру, например 1600 °С (рис. 1). Опускаемся вниз по вертикальной линии и смотрим, как меняется фазовый состав заданного сплава при снижении температуры. Упрощенно можно воспользоваться следующим правилом. При снижении температуры (при опускании по вертикальной линии) в равновесии находятся те фазы, в поле которых находится состав при заданной температуре. Скачок в изменении фазового состава сплава происходит при пересечении вертикали с фигуративными линиями. При этом исчезают те фазы, из поля которых "выходит" состав, и формируются те фазы, в поле которых "входит" состав. Выделение новой фазы происходит за счет кристаллизации, перекристаллизации или разложения исчезающей фазы. В нашем примере будем иметь следующее: от 1600 до 1270 °С (до пересечения вертикали с фигуративной линией, рис.1) находимся в области жидкости, значит состав находится в жидком состоянии. При температуре 1270 °С происходит скачок в изменении фаз: из жидкости начинает кристаллизоваться цементит первичный ("входим" в область Ц_I + Ж, поэтому формируется фаза, в поле которой "входим" (Ц) за счет кристаллизации той фазы (Ж), из поля которой "выходим". От 1270 до 1147 °С в равновесии находятся цементит первичный + жидкость (находимся в поле Ц_I + Ж). При температуре 1147 °С происходит скачок: исчезает жидкая фаза и образуется новая фаза ледебурит ("выходим" из поля Ц_I + Ж и "входим" в поле Ц_I + JI (А + Ц). От 1147 до 727 °С находимся в поле Ц_I + JI (А + Ц), поэтому в равновесии находятся фазы цементит первичный + ледебурит, который состоит из смеси аустенита + цементита. При 727 °С скачок в изменении фаз связан с перекристаллизацией аустенита в перлит. Ниже 727 °С в равновесии находятся цементит первичный + ледебурит, состоящий уже из смеси перлита и цементита.

Задание 2. Кратко описать кристаллизации сплава, содержащего заданное количество углерода (табл. 1), записать в виде (рис.2).

Умение работать с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов необходимо при решении практических задач, связанных с термической обработкой железоуглеродистых сплавов, определением фазового состава стали и чугуна.

Коротко процесс кристаллизации сплава, содержащего 5% углерода записывают т в следующем виде (рис. 2).

Рисунок 2. Форма записи процесса кристаллизации сплава

Над горизонтальной чертой записывают фазы, а под чертой записывают интервал температур, в котором эти фазы существуют, ступенька означает, что при данной температуре происходит скачок в процессе кристаллизации фаз.

Количество фаз при любой температуре определяют по правилу рычага. Для этого проводят горизонтальную линию через исследуемую температуру, концы горизонтальной линии доходят только до кривых, ограничивающих поле существующих в равновесии фаз. Например, нужно определить количество аустенита и жидкости при температуре 1350 °С для сплава, содержащего 1,5% углерода. Проводим вертикальную линию, соответствующую 1,5% углерода (состав Х₂, рис. 1). Через температуру 1350 °С проводим горизонталь, левый конец горизонтали доходит до лини JE, а правый до линии ВС (работаем в том поле, в котором совместно существуют равновесные фазы аустенит и жидкость (рис.1)). Получили плечо aob (рис. 1). Отрезок ао, примыкающий к линии твердого аустенита, характеризует количество жидкости, а отрезок оb, примыкающий к линии жидкости, характеризует количество аустенита.

Количество фаз определяем по формулам:

А = оb/аb × 100, (1)

Ж = ao/ab × 100, (2)

где ab, ао, ob – размеры отрезков (замеряются измерительной линейкой), см;

А – количество твердой фазы аустенита, %;

Ж – количество жидкости, %.

Пользуясь правилом рычага, определяют количество равновесных фаз при любых температурах. Необходимо быть предельно внимательным при проведении горизонтали. Работать надо только в том поле, в котором существуют равновесные фазы. Для определения состава эвтектик используют тоже правило рычага. Например, ледебурит состоит из аустенита и цементита. Значит, количество цементита характеризует отрезок ЕС, а количество аустенита – отрезок CF.

Кривая охлаждения показывает изменение температуры сплава во времени. Кривая строится 1рафически, всегда располагается справа рядом с диаграммой состояния (рис.1). Вертикальная ось температур, горизонтальная ось времени (в условных единицах). В каждом случае сплав охлаждается от температур, в котором он находится в жидком состоянии, до нуля. Если охлаждают жидкий сплав, то температура сплава будет снижаться. Это отобразится плавной кривой. Однако при кристаллизации жидкости или перекристаллизации твердых фаз выделяется тепло, которое в течение некоторого времени температуру сплава поддерживает постоянной, что отметится на кривой охлаждения горизонтальной площадкой (эвтектические превращения), либо легким перегибом кривой при температурах скачкообразного изменения фазового состава сплава (пересечение вертикальной линии состава с фигуративными линиями диаграммы состояния). Для сплава, содержащего 5% углерода, кривая охлаждения приведена на рис. 1.