3. Порядок выполнения работы.

3.1. Изучить и записать в отчет устройство приборов, а также методику замера твердости.

3.2. Произвести замер твердости методом Бринелля и Роквелла пяти образцов сталей разных по содержанию углерода (даёт преподаватель) и результаты замеров внести в таблицу 3.2.

3.3. Построить графики зависимости твердости от содержания углерода для метода Роквелла и Бринелля.

3.4. По результатам испытаний сделать выводы.

4. Отчет должен содержать:

а) теоретические сведения обустройстве приборов и методах замера твердости;

б) таблицы результатов замера твердости;

в) графики зависимости твердости от содержания углерода;

г) выводы о полученных результатах.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Что такое твердость металлов? Дать определение.

5.2. Какими методами измеряется твердость материалов?

5.3. В чем преимущество и недостатки метода Бринелля и Роквелла?

5.4. Где и как применяется метод Виккерса?

5.5. Почему в приборе ТК применяется и конус, и закаленный шарик?

5.6. Зависит ли величина твердости металла от содержания в нем углерода?

Лабораторная работа № 4

Анализ диаграммы состояния сплавов железо-углерод

1. Цель работы: ознакомиться и изучить линии, точки и области диаграммы, ее фа­зы и структуры, освоить фазовые превращения при нагревании и охлаждении, нау­читься применять правило фаз и отрезков.

2.Теоретаческие сведения

Диаграмма железо-углерод является основой для изучения и понимания про­цессов, происходящих при нагревании и охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). Используя диаграмму Fe-С можно: определить температуру тер­мической обработки, способность сплава воспринимать термическую обработку, рассчитать температуру начала и конца горячей обработки давлением, уточнить ли­тейные или механические свойства сплава, узнать структуру сплава при заданной температуре.

На диаграмме (рис. 4,1.) по горизонтальной оси отложено процентное содер­жание углерода, по вертикальной - температура сплава.

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

При анализе диаграммы рассматриваются линии и точки диаграммы (табл,4.2,, 4.3.), применяются правило фаз и правило отрезков.

Для анализа диаграммы железо - цементит применяют правило Гиббса, кото­рое выражается формулой

С = К-Ф + 1 (4.1)

где: С - число степеней свободы, т. е. число внешних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в сплаве; К - число компонентов (в сталях К равно 2 - углерод и железо); Ф - число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава отделенная от других его частей поверхностью раздела. Фазами могут быть химические элементы, хими­ческие соединения, жидкости и твердые растворы.

В железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении получаются сле­дующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

В железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении получаются сле­дующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Рис. 4.1. Диаграмма железо-цементит

Выполняющему работу, необходимо заполнить таблицу 4.1., в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное со­держание в структурах углерода, дать определение структур.

Таблица 4.1 Характеристика структур железоуглеродистых сплавов

Наименование структуры	Определение	Содержание угле- рода С, %	Характеристика
Феррит
Аустенит
Перлит
Цементит
Ледебурит

При анализе диаграммы рассматриваются линии и точки диаграммы

(табл.4.2., 4.3.), применяются правило фаз и правило отрезков.

Для анализа диаграммы железо - цементит применяют правило Гиббса, кото­рое выражается формулой

С = К -Ф + 1 (4.1)

где: С - число степеней свободы, т. е. число внешних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в сплаве; К - число компонентов (в сталях К равно 2 - углерод и железо); Ф- число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава отделенная от других его частей поверхностью раздела. Фазами могут быть химические элементы, хими­ческие соединения, жидкости и твердые растворы. При высоких температурах цементит частично разлагается на аустенит и графит

Таблица 4.2 Фазовые превращения на линиях по диаграмме

Обозначение линий	Фазовые превращения на линиях (при охлаждении)	Перечень фаз	Количество фаз	Число степеней свободы
1	2	3	4	5
АС	Начало выделения аустенита из жидкости	аустенит + жидкость	2	1
АЕ	Конец выделения аустенита из жидкости	аустенит + жидкость	2	1
ЕС	Конец выделения аустенита из жидкости и образование ледебурита	аустенит + цементит+жидкость	3	0
CD	Начало выделения цементита (первичного) из жидкости	жидкость+цементит	2	1
CF	Конец выделения цементита (первичного) из жидкости и образование ледебурита из жидкости	жидкость+ цементит +аустенит	3	0
ECF	Образование ледебурита из жидкости	жидкость+аустенит + цементит	3	0
GS	Начало выделения феррита из аустенита	аустенит + феррит	2	1
GP	Конец выделения феррита из жидкости	аустенит + феррит	2	1
PS	Конец выделения феррита из жидкости и образование перлита из аустенита	аустенит + феррит+цементит	3	0
PSK	Образование перлита из аустенита	аустенит + феррит+цементит	3	0
SE	Начало выделения цементита (вторичного)	аустенит + цементит	2	1
SK	Конец выделения цементита (вторичного) из аустенита и образование перлита из аустенита	аустенит + цементит+феррит	3	0
PQ	Начало выделения цементита (третичного) из феррита	феррит + цементит	2	1

Обо- зна- че- ние то- чек	Фазовые превращения в точках (при нагревании и охлаждении)	Содер- жание угле- рода, %	Соот- ветст- вующая точкам темпера- тура,о С	Перечень фаз	Ко- личе- ство фаз	Чис- ло сте- пе- ней сво- боды	Примечание
А	Температура плавления и затвердевания чистого железа	0	1539	Жидкость + Кристаллы железа	2	-	Правило фазз Гиббса к одно-компонентным системам Не применимо
1	2	3	4	5	6	7	8
D	Температура плавления и затвердевания цементита	6,67	1600	Жидкость+ цементит (первичный)	2	-
C	Плавление и образование ледебурита	4,3	1147	Жидкость+ аустенит+ цементит	3	0
E	Максимальное растворение углерода в аустените	2,14	1147	Жидкость+ аустенит+ цементит	3	0
S	Минимальное растворение углерода в аустените	0,80	727	Аустенит+ Феррит+ цементит	3	0
G	Превращение γ – железа в α- железо или α- железо в γ – железа	0	911	γ – железа + α- железо	2	-
P	Максимальное растворение углерода в α- железе	0,025	727	Аустенит+ феррит+ цементит (вторичный)	3	0
Q	Минимальное растворение углерода в α- железе	0,006	0	Феррит+ цементит (третичный)	2	1
К	Нет фазовых превращений	6,67	727	Цементит (первичный)	1	-
F	Нет фазовых превращений	6,67	1147	Цементит (первичный	1	-

Выше линии ACD все сплавы в жидком состоянии, следовательно, число сте­пеней свободы С = К - Ф+1 = 2 - 1 + 1 = 2. Это значит, что система располагает двумя степенями свободы, которые можно менять без нарушения равновесия системы, т. е. без изменения числа и состояния фаз в определенном интервале температур. Выше линии ACD можно сплавы нагревать и охлаждать, менять их концентрацию, и они остаются жидкими. Между линиями АС и АБС и линиями CD и CF сплавы двух­фазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно С = 2—2 +1 = 1. Отсюда следует, что система в данных областях располагает только одной степенью свободы и для сохранения числа фаз можно менять лишь один фактор равновесия, либо температуру, либо концентрацию. Две фазы и одна степень свободы имеется так же во всех других областях диаграммы, кроме аустенитной, где между линиями АЕ и GSE система однофазна и располагает двумя сте­пенями свободы С=2-1+1=2. На горизонтальных линиях ECF и PSK система трехфазна и число степеней свободы С = 2-3+1 = 0.

На линии ECF при охлаждении образуется ледебурит, а на линии PSK - пер­лит. Нулевая степень свободы на этих линиях обуславливает строго постоянные температуры при образовании ледебурита (1147 °С) и перлита (727 °С). Две фазы и одну степень свободы имеют все кривые линии и точки A, D, G, Q; три фазы и нуле­вую степень свободы точки Р, S, Е, С; в точках К и F фазовых превращений нет.

Обучающий заполняет диаграмму названиями тех или иных структур, образующих после каждой линии или в заданной точке.

Диаграмма состояния усваивается лучше, если ее изучение сопровождается построением кривых охлаждения различных по концентрации сплавов. На постро­енной кривой отмечают положение критических точек и температур, на каждом участке кривой указывают названия фаз или структурных составляющих. Кривую охлаждения строят схематично, справа от диаграммы состояния, в координатах тем­пература—время, с учетом отмеченных выше замечаний.

На рис. 4.2. показана кривая охлаждения сплава С = 4,2% с указанием назва­ния фаз на каждом ее участке.

Если состояние сплава при заданной температуре характеризуется наличием двух фаз или двух"структурных составляющих, диаграмма состояния позволяет оп­ределить количество каждой из них и указать концентрацию фаз. При этом пользу­ются так называемым правилом отрезков.

Рис. 4.2. Построение кривой охлаждения сплава С - 4,2% с указанием критических точек и названия фаз.

Пусть требуется определить содержание (в процентах) каждой из фаз сплава С = 4,2% в начале и конце его кристаллизации t = 723° С (соответственно в точках 3 и 3' на кривой охлаждения рис. 4.2.).

Содержание каждой фазы в заданном сплаве определяют с помощью диаграм­мы состояния и правила отрезков в определенной последовательности.

1. Построить диаграмму состояния (или ее участок применительно к заданно­му сплаву); провести на ней линию заданного сплава с указанием положения крити­ческих точек и заданной температурной точки. В нашем случае точки 3 и З¹ совме­щаются, они на линии сплава обозначены точкой 3.

2. Справа от диаграммы схематично построить кривую охлаждения. Из анализа процес­са кристаллизации сплава по кривой охлаждения установить названия фаз в заданной темпера­турной точке. В нашем случае в точке 3 (начала кристаллизации сплава при t = 723° С) фазами будут аустенит и цементит, в точке 3' (конец кристаллизации при t=723°) цементит и феррит.

3. По диаграмме состояния установить и провести линии таких двух сплавов (а иногда сплава и компонента), которые при заданной температуре являются однофазными, т. е. каж­дая из которых состоит из одной фазы, установленной нами в п. 2, при этом один сплав дол­жен состоять полностью из фазы одного наименования, а другой - из второй фазы.

В нашем случае для начала кристаллизации такими сплавами будут: а) сплав С = 0,8, который при t = 723° состоит из одной фазы - аустенита, и б) компонент - цементит (Fe ₃ C) - С = 6,67%; для конца кристаллизации: а) сплав С = 0,02, который при t=723° состоит полностью из фазы феррита и б) компонент - цементит.

4. Через заданную температурную точку провести горизонталь до пересечения с линиями двух однофазных сплавов, расположенных справа и слева от указанной точки (в нашем случае горизонтали SK и РК).

5. Подсчитать содержание (в процентах) каждой из фаз. Проведенная горизон­таль условно выражает все количество сплава, т. е. количество обеих фаз. Заданная температурная точка (в нашем случае точка 3) делит ее на два отрезка - левый и пра­вый, которые порознь выражают количество каждой фазы, причем левый отрезок условно показывает количество фазы, принадлежащей правому однофазному сплаву и наоборот. В нашем случае (для начала кристаллизации) горизонталь SK изобража­ет условно всю массу сплава; часть отрезка 3К - количество фазы аустенита, а отре­зок 3S - количество фазы цементита. Для конца кристаллизации вся масса сплава условно изображается отрезком РК, часть которого РЗ условно изображает количе­ство цементита, а ЗК. — количество феррита.

Для начала кристаллизации:

Количество аустенита = = = 42%

Количество цементита = = = 58 %

Для конца кристаллизации:

Количество феррита = = = 37 %

Количество цементита = = = 63 %

Содержание (в процентах) каждой структурной составляющей сплава опре­деляется аналогично. Например, требуется определить содержание (в процен­тах) структурных составляющих в сплаве С = 4,2%, находящемся при t = 1130⁰ С (конец кристаллизации).

Рис.4 3. Построение кривой охлаждения сплава С = 4.2% с указанием критических точек и названия структурных составляющих

Решение:

а) построить диаграмму состояния и провести на ней линию заданного сплава, указав на ней положение критических и заданной точек (рис.4.3.);

б) построить кривую охлаждения:

в) определить положение заданной температурной точки на кривой охлаждения;

г) из анализа процесса кристаллизации установить названия структурных со­ставляющих в заданной температурной точке, в нашем случае в точке 2' аустенит +ледебурит;

д) по диаграмме состояния установить и провести линии двух сплавов, один из которых при температуре 1130 ⁰С состоит из структуры аустенита, а второй - из ледебурита. Такими сплавами соответственно будут С = 2% и С = 4,3%;

е) провести на диаграмме горизонталь через точку 2 до пересечения с линиями указанных двух сплавов (точки пересечения Е, С);

ж) определить количество каждой структурной составляющей. Линия ЕС ус­ловно изображает всю массу сплава, характеризующегося структурой ледебурит + аустенит.

Отрезок 2 Е условно выражает количество структурной составляющей ледебу­рита Л, а отрезок 2С- количество структурной составляющей аустенита А. Найдем их числовые значения:

Л= = = 95,7 %

А= = = 4,3 %