Характеристика и описание лабораторной установки.

Лабораторная работа выполняется на виртуальном лабораторном стенде, состоящем из двух окон, вид которых изображен на рисунке1. Назначение отдельных элементов стенда разъяснено далее по тексту.

Рисунок 1 Внешний вид экранов лабораторного стенда

Левый стенд (рисунок 1) предназначен для проверки знаний терминов и определений штамповки у студента. В процессе выполнения теоретической части студент должен правильно ответить на предложенные вопросы. После выполнения теоретической части студент может выполнить практическую часть работы (правый стенд), в которой необходимо правильно рассчитать рабочее усилие пресса, требуемое для вырубки круглой заготовки из материала заданной марки и заданных геометрических характеристик.

Порядок выполнения работы.

Работа состоит из двух частей, которые могут исполнятся в любой последовательности. В первой (теоретической части) необходимо правильно ответить на предложенные программой вопросы. Во второй (практической) части по заданным параметрам заготовки необходимо вычислить усилие пресса, необходимое для проведения операции вырубка. Для контроля правильности расчетов предусмотрено окно ввода значения. После занесения величины усилия в окно ввода нажатием кнопки [контроль] можно проверить выполнение работы. При наличии ошибок выполнение работы может быть повторено.

Работа №10

" Диаграмма состояния железо-углерод "

Цель работы: научить студента использовать диаграммы состояния и в частности диаграмму состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C) в практической деятельности для определения.

Краткие теоретические сведения.

Диаграммы состояния в общем виде представляют собой график в координа­тах состав сплава — температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различ­ных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние и специфический характер строения.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдель­ные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые — из двух, имеющих разные составы, строение и свойства. Анализи­руя диаграмму состояния, можно составить представление о специ­фике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменения в зависимости от состава, а также о возможности терми­ческой обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения. В диаграммах состояния содержится информация, необходимая для создания и обработки сплавов различного назначения.

В общем случае диаграмма состояния железо-углерод, структурная схема которой представлена на рисунок 1, отражает продукты, образующиеся в сплавах при изменении концентрации углерода от 0 до 100%.

Рисунок 1 - Структурная схема диаграммы железо-углерод

В основе всех превращений лежат следующие явления:

1) Наличие у железа нескольких вариантов кристаллической решетки (аллотропические модификации). Для чистого железа существуют диапазоны температур, где железо находится в разных модификациях Feα и Feγ. Изменение типа решетки приводит к существенному изменению физических свойств.

2) Различная растворимость углерода в кристаллической решетке железа в зависимости от типа решетки и температуры.

3) Образование химического соединения с собственной кристаллической решеткой. Это соединение нерастворимо в железе и практически не растворяет углерод.

Наибольший практический интерес представляет та часть диаграммы, где железоуглеродистые сплавы представлены сталями и чугунами. Это диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C), которая является частью диаграммы железо-углерод до концентрации углерода 6,67%.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Растворимость углерода в α -железе при ком­натной температуре до 0,005%; наибольшая раствори­мость — 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ = 80...100) и прочность (σ_В = 250 МПа), но высокую пластичность (δ = 50%; ψ = 80%), где σ_В — пре­дел прочности; δ — относительное удлинение; ψ — отно­сительное сужение.

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углеро­да в кристаллической решетке γ-железа. Тип решетки - гранецентрическая. В железоуглеродистых сплавах он может су­ществовать только при высоких температурах. Предель­ная растворимость углерода в γ-железе — 2,14% при температуре 1147 °С и 0,8 % — при 727 °С. При падении температуры ниже 727 °С А распадается и переходит в П. Аустенит имеет твер­дость НВ = 160...200 и весьма пластичен (δ = 40...50 %). Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более суживающемся диапазоне растворимости углерода.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃С). В цементите содержит­ся 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ ~ 800), хрупок и прак­тически не обладает пластичностью.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы же­леза — металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легиро­ванным цементитом. Цементит—соединение неустойчивое и при определенных ус­ловиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Графит — это свободный углерод, мягок (НВ = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — эвтектоидная механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется в результате перераспределения углерода в аустените при температуре ниже 727 °С. Перлит может быть пла­стинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σ_В ~ 800 МПа; относительное уд­линение δ = 15%; твердость НВ = 160.

Ледебурит аустенитный (Л_А) — эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит Л_А обра­зуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ = 600...700 и большую хрупкость.

Ледебурит перлитный (Л_П) — эвтектическая механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита аустенитного Л_А при температуре ниже 727 °С в результате распада аустенита.

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подраз­деляют на техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали (0,8 < С ≤ 2,14 %).

В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный цемен­тит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 °С из феррита.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит содержит 0,8 % углерода. По относитель­ному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой перлитом, на 0,8.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью со­стоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур

1147 ... 727 °С из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SЕ диаграммы Fе-Fе₃С.

Чугуны в системе Fе-Fе₃С называют белыми. Эти сплавы содержат углерод исключительно в химически связанном состоянии в виде Fе₃С.

Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при температуре ниже 1147 °С (линия ЕСF диаграммы Fе-Fе₃С) с образованием эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727 °С аустенит претерпева­ет эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектичекие, эвтектические и заэвтектические.

Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в преде­лах

2,14 ... 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода. Структура его состоит пол­ностью из ледебурита.

В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и леде­бурита.

Особенность белого чугуна: высокое содержание в белом чугуне цементита обеспечивает ему высокую твердость, прочность и хрупкость, поэтому в технике он практически не применяется.