Работа 2. Диаграмма состояний системы железо-углерод. Термообработка сталей

Цели работы:

1. Изучить диаграмму состояний системы железо – углерод. Используя диаграмму Fe – C, схематично построить кривую нагрева (1…15) или охлаждения (16…30) для марки стали по варианту:

1 и 16 – сталь 40; 2 и 17 – сталь 50; 3 и 18 – сталь 45;

4 и 19 – сталь 55; 5 и 20 – сталь 65; 6 и 21 – сталь 70;

7 и 22 – сталь У7; 8 и 23 – сталь У13; 9 и 24 – сталь У8;

10 и 25 – сталь 35; 11 и 26 – сталь 30; 12 и 27 – сталь У9;

13 и 28 – сталь У8А; 14 и 29 – сталь 60; 15 и 30 – сталь 80.

2. Изучить назначение и особенности технологии отжига, отпуска, закалки и нормализации стали. Обосновать режим термообработки для стали (по варианту пункта 1). .

3. Выявить влияние температуры закалки на твердость стали.

4. Выявить влияние температуры отпуска закаленной стали на твердость.

5. Изучить влияние тепловых процессов на твердость зон сварного шва.

Оборудование: Муфельная печь, твердомер Роквелла, образцы металлов и сварного шва, штангенциркуль.

Введение

Основными конструкционными материалами являются стали и чугуны. Они представляют собой сплав железа и углерода с добавлением других химических элементов (кремния, марганца, хрома, никеля и др.) и относятся к черным металлам. Железоуглеродистый сплав, содержащий до 2% углерода С, называют сталью, а содержащий 3…4,5% С – чугуном.

Механические и технологические свойства чугуна и стали зависят от способа их получения, химического состава и вида последующей обработки; при этом основные свойства черных металлов определяются содержанием в них углерода, входящего в различные структуры.

1. . Диаграмма состояний Fe – c

На диаграмме Fe – C, как на географической карте показаны следующие области: существования стали и чугуна, железа и цементита; различных состояний железа (-Fe, -Fe, -Fe); различных фаз: твердых растворов (феррит и аустенит), химических соединений (цементит) и механических смесей (ледебурит + перлит, перлит + цементит и др.); твердого (ниже линии солидуса COSFCF) и жидкого (выше линии ликвидуса ABCD) состояний сплавов (рис.6).

В сплавах железа с углеродом встречаются следующие структурные составляющие: феррит, цементит, аустенит, перлит, ледебурит и графит.

Феррит – твердый раствор углерода (около 0,002 %) в - железе, т.е. в объемно-центрированной кубической решетке. Феррит характеризуется незначительной твердостью (НВ 85) и низкой прочностью, но высокой пластичностью. Микроструктура феррита состоит из светлых зерен различных размеров.

Рис. 6. Диаграмма железо-углерод.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа – Fe₃C). Цементит содержит (по массе) 6,67 % углерода, он хрупок, а твердость его очень высокая, достигающая до НВ 700. Под микроскопом сетка цементита светлая и блестящая. Цементит присутствует в структурах сталей и чугунов в различных формах: в виде сетки по границам зерен, в виде игл по кристаллическим плоскостям, или в виде отдельных светлых выделений.

Аустенит – твердый раствор углерода (до 2% С) в  - железе, т.е. в гранецентрированной кубической решетке. Сталь аустенитной структуры обладает большой пластичностью. Твердость аустенита НВ 170…220.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, в нем содержится 0,8% С. Твердость перлита НВ 220.

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита, содержит 4,3% С, его твердость НВ 600.

Графит – это свободный углерод. Он присутствует в чугунах в виде включений различной формы – пластинчатый графит, шаровидный графит и др. С изменением формы графитных включений меняются механические и технологические свойства сплава.

При охлаждении сплава железа с углеродом и переходе его из жидкого состояния в твердое происходят превращения кристаллической структуры и изменения свойств сплава. Это наглядно иллюстрирует диаграмма, приведенная на рис.6.

Диаграмма состояний системы железо-углерод дает большой объем практической информации инженеру, занимающемуся вопросами использования сталей и сплавов в промышленности и строительстве, изготовления и ремонта деталей, их термообработкой и сваркой:

-о поведении сплавов при нагреве и охлаждении;

-о структуре, фазах и фазовых превращениях для конкретных сплавов;

-по обоснованию режимов термообработки (отпуск, закалка и др.) деталей;

-по обоснованию температуры нагрева заготовок при ковке и штамповке;

-по качеству сварки и по объяснению металлургических процессов и фазовых превращениях при сварке металлов и сплавов.

Характерными точками диаграммы являются:

A – температура плавления чистого железа;

D – температура плавления цементита Fe₃C;

S – эвтектоидная точка (для сталей);

C – эвтектическая точка (для чугунов).

E – делит железоуглеродистые сплавы на две группы: стали (содержание углерода до 2,1%) и чугуны (содержание углерода свыше 2,1 %);

Диаграмма построена путем исследования процессов охлаждения и нагрева железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода от 0% (чистое железо) до 6,67 % (цементит). Рассмотрим построение диаграмм нагрева и охлаждения для чистого железа (0 % углерода).

Чистое железо представляет собой очень мягкий и ковкий металл серебристо-белого цвета, не окисляющийся на воздухе, плавящийся при температуре 1539 С, а испаряющийся – при 3200 С.

При охлаждении и нагреве с чистым железом происходят следующие превращения. На рис. 7 представлена кривая изменения структуры железа при его охлаждении.

Свыше 1539 С железо находится в жидком состоянии, а ниже – металл кристаллизуется, т.е. возникает кристаллическая объемно-центрированная кубическая решетка, но с большими, чем у - железа (при температуре ниже 768С) размерами; эта структура называется.

При температуре ниже 1392 С - железо превращается в - железо, т.е. решетка становится гранецентрированной в диапазоне до температуры 910С, ниже которой структура металла вновь становится объемно-центрированной, но при температуре ниже 768 С (рис.7) железо приобретает магнитные свойства, т.е. - железо превращается в - железо.

Выше температурной кривой ABCD сплавы железа с углеродом находятся в жидком состоянии. Когда их температура будет соответствовать температуре точек, лежащих на этой же кривой, начнется процесс кристаллизации. При температуре, которой соответствует линия ABC, из жидких сплавов, содержащих до 4,3 % С, будут выпадать кристаллы аустенита, а по линии CD – кристаллы первичного цементита. С понижением температуры количество твердых кристаллов будет увеличиваться вследствие уменьшения количества жидкого сплава, и, приближаясь к температуре точек, лежащих на кривой AHJE, сплавы, содержащие до 2 % С, будут иметь структуру, состоящую из кристаллов чистого аустенита. Цементит называется вторичным из-за того, что он получен не из жидкого сплава, а из твердого раствора.

При этих перестройках, кроме превращения при температуре 768 С, выделяется энергия на создание и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому, хотя тепло подводится, но снижения температур нет (будут ступеньки постоянных температур). При нагреве железа структурные изменения происходят в обратном направлении, затрачивается энергия на разрушение и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому так же будут иметь место ступени на диаграмме.

Сплав с 4,3 % С при 1130 С сразу же, минуя промежуточные состояния, переходит из жидкого состояния в твердое кристаллическое (ледебурит). Сплавы с 4,3…6,67 % С ниже температурной кривой CF состоят из кристаллов первичного цементита и ледебурита.

При охлаждении сплавов до значений температурной кривой GOS из аустенита начинает выделяться феррит. Выделение его продолжается до достижения температуры 727 С (прямая PS), при которой оставшийся аустенит, обогащенный углеродом, переходит в перлит.

При температуре ниже 727 С сплавы имеют структуру, состоящую из зерен перлита и феррита. С увеличением процентного содержания углерода количество перлита возрастает, и при 0,8 % С сплавы имеют структуру чистого перлита.

При охлаждении сплавов на уровне температурной кривой SE из аустенита начинается выделение вторичного цементита, продолжающееся до 723 С (линии SK), при этом весь оставшийся аустенит с содержанием 0,8 % С переходит в перлит.

При температуре ниже 727 С образуется структура, состоящая из зерен перлита и цементита.

Аустенит чугунов (сплавы с 2…4,3 % С) при 727 С превращается в перлит, а при более низкой температуре приобретает структуру, состоящую из кристаллов перлита, вторичного цементита и ледебурита. Структура чугуна, содержащего 4,3…6,67 % С ниже линии SK, состоит из кристаллов ледебурита и первичного цементита.

Все описанные выше изменения структуры сплавов железа с углеродом обратимы. При нагревании их до 727 С перлит превращается в обогащенный аустенит, а при дальнейшем повышении температуры нагрева феррит и вторичный цементит растворяются в аустените. Выше кривой GOSE диаграммы сплав снова состоит из кристаллов чистого аустенита.