Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Диаграмма «железо-углерод». Методические указания к домашним заданиям, контрольным работам, упражнениям по изучению фазовых превращений и по образован
.pdf
1911
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра физического металловедения
ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД»
Методические указания к домашним заданиям, контрольным работам,
упражнениям по изучению фазовых превращений и по образованию структуры
железоуглеродистых сплавов
Составители: А.Г. Гвоздев
И. С. Щеренкова
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
4
УДК 669.017(07)
Г679
Рецензент И. П. Горбунов
Гвоздев А. Г.
Г679 Диаграмма «железо-углерод» [Текст]: методические указания к домашним
заданиям, контрольным работам, упражнениям по изучению фазовых
превращений и по образованию структуры железоуглеродистых сплавов /
А.Г. Гвоздев, И. С. Щеренкова. – Липецк: ЛГТУ, 2014. – 44 с.
В методических указаниях приведены примеры анализа фазовых
превращений в сталях и чугунах и задачи по диаграмме «железо-углерод»,
которые используются в домашних заданиях и контрольных работах.
Предназначены для студентов направлений подготовки 150400.62
«Металлургия» и 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов»
очной и очно-заочной форм обучения, а также других направлений, изучающих
дисциплину «Материаловедение».
Табл. 15. Ил.: 6. Библ.: 4 назв.
©ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный
технический университет», 2014
3
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие положения ................................................................................................... 4
2. Основные фазы диаграммы «железо-углерод» .................................................... 7
3. Метастабильная диаграмма «железо-цементит» ................................................. 8
3.1. Кристаллизация и структура сталей ............................................................... 9
3.2. Кристаллизация и структура белых чугунов ............................................... 10
3.3. Примеры решения задач ................................................................................. 13
4. Стабильная диаграмма «железо - углерод» ........................................................ 19
5. Оформление домашнего задания по диаграмме ................................................ 26
6. Задачи по анализу фазовых превращений в сталях ........................................... 27
7. Задачи по анализу фазовых и структурных превращений ................................ 30
8. Определение состава сталей и белых чугунов ................................................... 33
9. Комплексные задачи по фазовым превращениям и структурообразованию в
сталях и белых чугунах ............................................................................................. 35
10. Задачи по анализу стабильной и метастабильной диаграмм фазового
равновесия «железо - углерод» ................................................................................ 38
11. Комплексные задачи по фазовым превращениям и структурообразованию
серых чугунов ............................................................................................................ 40
12. Библиографический список ................................................................................ 43
4
1. Общие положения
Диаграмма состояния «железо-углерод» даёт основное представление о
фазовых превращениях и структуре железоуглеродистых сплавов – сталей и
чугунов в зависимости от их химического состава и температуры. На рис. 1
приведён современный вариант диаграммы состояния «железо-углерод».
Характерной особенностью этой диаграммы является нанесение на ней двух
систем одновременно: системы «железо-цементит» (Fe – Fe3C) - сплошные
линии диаграммы; и системы «железо-углерод» (Fe- C) – пунктирные линии
диаграммы.
Такое существование двух диаграмм возможно потому, что углерод в
сплавах с железом может кристаллизоваться в зависимости от скорости
охлаждения в структурно-свободном виде (графит) или в связанном состоянии
в виде карбида железа Fe3C (цементит). Диаграмма «железо-графит» является
стабильной, а «железо-цементит» - метастабильной.
Для большего удобства при изучении процессов кристаллизации и
условий структурообразования (для серых чугунов) принято обе диаграммы
вычерчивать в одной координационной системе. Буквенные обозначения линий
на диаграмме стандартные. Отличие состоит лишь в том, что буквы,
обозначающие линии стабильного равновесия, записываются со знаком
«штрих». Например, линия эвтектического превращения, протекающего в
соответствии с метастабильной диаграммой, обозначается ECF, а в
соответствии со стабильной – E´C´F´.
Координаты основных (критических) точек диаграммы указаны в табл. 1
и на рис. 1.
5
Координаты основных точек диаграммы
Обозначение
точки
Температура,
°С
Концентрация
углерода, %
(масс.)
Обозначение
точки
Температура,
°С
Концентрация
углерода, %
(масс.)
Метастабильное равновесие
А
1539
0,0
D - 6,67
В
1499
0,51
G
911
0,0
Н
1499
0,10
М
770
0,0
J
1499
0,16
Р
727
0,025
N
1392
0,0
S
727
0,80
О
768
0,50
К
727
6,67
Е
1147
2,14
Q
600
0,006
С
1147
4,30
L
600
6,67
F
1147
6,67
Стабильное равновесие
А
1539
0,0
D' - 100
В
1499
0,51
G
911
0,0
Н
1499
0,10
Р'
738
0,023
J
1499
0,16
S'
738
0,70
N
1392
0,0
К'
738
100
Е'
1153
2,11
Q'
600
0,006
С'
1153
4,26
L´
600
100
F’
1153
100
Таблица 1
6
Критические точки на приведённой диаграмме обозначаются символами:
А0 - температура магнитного превращения цементита (217 ° C);
А1 – температура эвтектоидного превращения;
А2 - точка Кюри -температура магнитного превращения феррита (768° С);
A3 - температура окончания аллотропического превращения феррита в
аустенит;
А4 - температура аллотропического превращения γ→δ;
Аcm - температура начала выделения цементита из аустенита (линия ES).
Рис. 1. Диаграмма "железо-углерод" стабильного
и метастабильного фазового равновесия
7
Растворимость углерода в феррите максимальная при 727° C и составляет
0,025% С (точка Р). При снижении температуры она уменьшается до ~0,006% С
(точка Q).
Растворимость углерода в аустените также уменьшается при понижении
температуры: с 2,14% С при 1147 °С (точка Е) до 0,8% С при 727 °С (точка S).
2. Основные фазы диаграммы «железо-углерод»
В сплавах системы «железо-углерод» встречаются следующие фазы:
жидкий раствор, твёрдые растворы на основе железа (феррит, аустенит),
химическое соединение Fe3C (цементит), структурно свободный углерод
(графит).
Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и
углерода, находящийся выше линии ликвидус ABCD при концентрации
углерода от 0 до 6,67%. Жидкость микроскопически однородна (гомогенна).
Твердые растворы.
В данной системе имеются твёрдые растворы железа с углеродом на
основе двух кристаллографических решёток (ГЦК и ОЦК). Они являются
твёрдыми растворами внедрения, то есть растворами, в которых атомы
углерода размещаются в межузельных пустотах кристаллической решётки
железа.
Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в α-железо. Он имеет
кристаллическую решётку ОЦК. Максимальная растворимость углерода в
феррите составляет 0,025% (точка Р), минимальная – 0,006% (точка Q).
Твёрдость феррита 80 – 100 НВ, предел прочности σв ~300 МПа, относительное
удлинение δ достигает 50%. До температуры 768 оС феррит ферромагнитен,
выше – парамагнитен.
Твёрдый раствор внедрения углерода в высокотемпературном α-железе –
δ-феррит. Кристаллическая решётка δ-феррита ОЦК, предел растворимости
углерода – 0,1% (точка Н).
8
Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железо.
Кристаллическая решётка – ГЦК, максимальная растворимость углерода в
аустените составляет 2,14% (точка Е). Твёрдость равна 170 – 200 НВ, предел
прочности σв составляет 500 - 800 МПа. Аустенит обладает большой
пластичностью, не ферромагнитен.
Цементит – нестойкое химическое соединение Fe3С, в котором
содержится 6,67% С. Имеет сложную ромбическую решётку. При температуре
ниже 217 оС становится ферромагнитным. Хрупок, имеет высокую твёрдость
(~800 НВ), практически нулевую пластичность. Цементит образуется по
метастабильной системе.
Графит. При медленном охлаждении по стабильной системе выделяется
структурно свободный углерод – графит, который является самостоятельной
фазой. Графит имеет гексагональную решётку, высокую температуру
плавления (~3500 оС). Связь между базисными плоскостями слабая, поэтому
графит имеет низкие механические свойства (чешуйки графита легко
отслаиваются).
3. Метастабильная диаграмма «железо-цементит»
С помощью метастабильной диаграммы «железо-цементит» можно
описать структурообразование таких железоуглеродистых сплавов, как стали и
белые чугуны, а также техническое железо.
Сталь – сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14%
(левее точки Е).
Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до
6,67% (правее точки Е).
Если углерод находится в чугуне в связанном состоянии (в виде
цементита), то такой сплав называется белым чугуном (рис. 2, рис. 4).
Отдельную группу составляют сплавы с содержанием углерода менее
0,025% (левее точки Р). Сплавы этой группы носят название техническое
железо.
9
3.1. Кристаллизация и структура сталей
При кристаллизации ниже линии NJE все стали состоят из однофазного
твёрдого раствора аустенита.
Окончательное формирование структуры сталей происходит в результате
превращения аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого
превращения является аллотропия, связанная с перестройкой кристаллической
решётки ГЦК аустенита в ОЦК решётку феррита, а также изменение
растворимости углерода в аустените и феррите.
Если аустенит не претерпевает эвтектоидного превращения и в нём
происходит только полиморфное (аллотропическое) превращение, то сплав
относится к техническому железу. Сплавы из группы технического железа
состоят из зёрен феррита, по границам которых в виде дисперсных включений
выделяется третичный цементит, снижающий пластичность феррита (рис. 3,а).
Если в сплаве происходит эвтектоидное превращение, то в зависимости
от содержания углерода можно выделить три группы в сплавах:
1. Сталь эвтектоидного состава с содержанием углерода 0,8% имеет
структуру перлита (рис. 3,б).
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. В перлитной колонии
(зерне) феррит и цементит имеют пластинчатую форму. При небольших
увеличениях зёрна перлита имеют тёмный цвет.
2. Доэвтектоидные стали - стали с содержанием углерода 0,025 - 0,8%.
Структура таких сталей состоит из светлых ферритных зёрен, темных
перлитных зёрен и цементита третичного, которого не видно в структуре из-за
его малого количества (менее 0,3%) (рис. 3,в).
3. Структура заэвтектоидных сталей (содержание углерода от 0,8 до
2,14% С) состоит из перлита и цементита вторичного, который располагается в
виде светлой сетки по границам перлитных зёрен (рис. 3,г). Максимальное
количество цементита вторичного (ЦII) выделяется в интервале температур
1147 – 727 оС в сплаве, содержащем 2,14% С и составляет 22,8%.
10
3.2. Кристаллизация и структура белых чугунов
Все фазовые превращения в белых чугунах при кристаллизации до
комнатных температур полностью проходят в соответствии с метастабильной
диаграммой «железо-цементит» (рис. 2). Наличие цементита в больших
количествах придаёт излому светлый блестящий цвет, что привело к
возникновению термина «белый чугун». Независимо от состава сплава
обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная
эвтектика, состоящая из аустенита и цементита (ледебурит).
Аналогично сталям белый чугун в зависимости от содержания углерода
также можно разделить на три группы:
1. Эвтектический чугун - содержит 4,3% углерода (точка С,
100% ледебурита). Особенность строения ледебуритной эвтектики состоит в
том, что образуется пластина цементита, пронизанная аустенитными зёрнами
(сотовый ледебурит). При охлаждении ниже 727 оС аустенит превращается в
перлит, и ледебурит будет состоять из перлита и цементита. Такой ледебурит
называется превращённым (рис. 4а).
2. Доэвтектический белый чугун содержит 2,15 – 4,3% С, структура
состоит из ледебурита превращённого, перлита и цементита вторичного.
Однако в структуре цементит вторичный, как правило, не наблюдается, так как
он присоединяется к крупным пластинам эвтектического цементита (рис. 4б).
3. Структура заэвтектического белого чугуна (содержание углерода
4,3 – 6,67% С) характеризуется избыточными светлыми кристаллами цементита
(цементит первичный ЦI) и ледебуритом превращённым (рис. 4в).
Свойства ледебурита в белом чугуне в основном определяются
свойствами цементита. Поэтому ледебурит отличается большой твёрдостью и
хрупкостью. Белые чугуны не куются и не прокатываются ни в холодном, ни в
горячем состоянии.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]