Федеральное агентство по образованию

Кубанский государственный технологический университет

Кафедра материаловедения и автосервиса

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методическое указание к лабораторной работе «Анализ диаграммы состояния железо-углерод» для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения

Краснодар

2008

Составители: канд. техн. наук, доц. В.Н. Киприянова

канд. техн. наук, доц. С.А. Кобзева

Под редакцией д-ра техн. наук, профессора В.П. Артемьева

УДК 620.22

Материаловедение. Методическое указание к лабораторной работе «Анализ диаграммы состояния железо-углерод» для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / Сост.: В.Н. Киприянова, С.А. Кобзева; Кубанский гос. технол. ун-т. Каф. материаловедения и автосервиса. – Краснодар: Изд. КубГТУ, 2008 – 11 с.

Изложены теоретические основы и методика проведения лабораторной работы «Анализ диаграммы состояния железо-углерод».

Печатается по решению методического совета Кубанского государственного технологического университета

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. А.Г. Соколов

канд. техн. наук, проф. Ю.А. Кабанков

АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – углерод

Цель работы – изучить диаграмму состояния Fe – C и структурные превращения железоуглеродистых сплавов.

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Дать описание основных линий, точек, фаз и структурных составляющих диаграммы состояния железо – цементит.

3. Вычертить диаграмму состояния в масштабе с принятым обозначением точек, температур, концентраций углерода и обозначить структуры во всех областях диаграммы.

4. Научиться определять концентрации углерода в фазах при различных температурах и количественные соотношения фаз, используя правило отрезков.

5. Построить кривые охлаждения заданных сплавов с применением правила фаз, занести номера критических точек, числа степеней свободы, структуры на каждом участке кривой и превращения на горизонтальных участках.

Основы теории

Наиболее распространенными металлическими материалами являются сплавы железа и углерода – стали и чугуны. В сталях содержится менее 2,14%С, а в чугунах – более 2,14%С. Диаграмма железо – углерод показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Рассмотрим компоненты системы железо – углерод и их взаимодействие.

Компоненты – вещества, образующие систему:

1. Железо – металл сероватого цвета, температура плавления 1539 ºС, плотность 7,68 г/см³. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ.

При температурах ниже 911ºС кристаллическая решетка железа – объемно центрированный куб (ОЦК). Эту модификацию называют α-железо. До температуры 768 ºС (точка Кюри) α-железо магнитно, выше – немагнитно. Его называют β – немагнитным или β – железом.

При нагреве железа объемно центрированная кубическая решетка при 911 ºС перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эта модификация существует до 1392 ºС и называется γ-железом.

Выше 1392 С и до температуры плавления вновь устойчивой является ОЦК- решетка, высокотемпературное α-железо обозначают также δ – железо.

Схематично полиморфные превращения железа при нагреве можно изобразить следующим образом:

2. Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500 ºС. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение – цементит.

Практическое значение имеет часть диаграммы от железа до цементита. Эта изучаемая нами часть диаграммы (рис. 2), называется также диаграммой железо – цементит (Fе – Fe₃C).

Фазы. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую строение, состав и свойства изменяются скачкообразно. В системе железо – углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит; рассмотрим подробнее.

1. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе.

А

а

том углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: при комнатной температуре (точка Q) – 0,006 %, максимальную – 0,02 %С при температуре 727^oС (точка P). В высокотемпературном феррите максимальное содержание углерода (0,1%) наблюдается при температуре 1499°С (точка Н диаграммы).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

П

б

ри 0,006 %С: _в = 250 МПа, _0,2 = 120 МПа,  = 50%, 80–100НВ.

2

Рис. 1. Кристаллические решетки:

а – феррита, б – аустенита.

. Аустенит – твердый раствор углерода в -железе.

Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в -железе – 2,14% при температуре 1147 ºС (точка Е).

Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C.

В цементите содержится 6,67% (концентрация углерода при изменении температуры остается неизменной, в отличие от твердых растворов). Температура плавления цементита около 1600 ºС. Имеет сложную ромбическую решетку. Цементит – неустойчивое химическое соединение и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Цементит самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость более 800 НВ, δ=0%).

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.