Анализ диаграммы состояния "Железо-цементит"

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский  государственный горный  институт им. Г.В. Плеханова

                                                                                                 (технический университет)

Кафедра конструирования горных машин

и технологии машиностроения

Лабораторная  работа №4

 
 
 

Тема: АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ «ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ»

Выполнил: студент гр. ГМ-08-1   _________               / Гавриленко М.В./

                           (должность)                                      (подпись)                                           (Ф.И.О.) 

Дата:  ____________ 
 

Проверил:  профессор             ________                     / Болобов В.И./

                            (должность)                             (подпись)                                                (Ф.И.О.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2009

 

       Цель работы: научиться проводить анализ диаграммы  состояния железоуглеродистых сплавов, изучить свойства фаз и структурных составляющих, научиться строить кривые охлаждения и нагрева сплавов, определять составы фаз и их количественное соотношение.

      Общие сведения

      Фазы  в сплавах железа с углеродом.

      В зависимости от температуры железо может находиться в двух кристаллических  формах: до с решеткой ОЦК; больше с решеткой ГЦК.

      Углерод образует и с тем и с другим железом твердые растворы внедрения. Предельная растворимость углерода в гамма железе 2,14% и 0,02 в альфа  железе, т.е. в 100 раз меньше.

      Причина в разной растворимости – в  решетке ОЦК размер пустот намного  меньше, это мешает внедрению атомов углерода.

      Твердый раствор  - феррит, а в - аустенит. Кроме того, углерод способен образовывать с железом химическое соединение , содержащее 6,67% углерода – цементит.

      Диаграммы состояния систем.

      При изменении концентрации компонентов, а также при охлаждении или  нагреве в сплавах происходят и структурные изменения, которые  определяют с помощью диаграммы состояния систем.

      Координаты  T - % C. Каждая точка абсцисс соответствует определенному содержанию одного и другого компонента в сплаве с учетом того, что общее содержание их в каждой точке 100%. Оси ординат соответствуют чистым компонентам, а ординаты между осями – сплавы, образуемые этими компонентами. Каждая точка на диаграмме показывает состояние сплава при данной температуре.

      Диаграммы строят при помощи температурного метода. Строят кривую охлаждения - термограмму, на ней фиксируют перегибы, называемые критическими точками.

      Каждая  из критических точек соответствует  температуре при которой в  сплаве начинается или завершается  какое-либо фазовое превращение. Значения этих температур наносят на ординату, соответствующую сплаву.

      Критические точки всех сплавов соединяют  линиями и получают диаграмму  состояния системы. С помощью  других методов устанавливают фазовый  и структурный состав других областей.

      Диаграмма состояния «железо-цементит».

      Обычно  диаграмму изображают до 6,67% состава цементита, т.к. последующая часть не имеет практического значения из-за хрупкости.

      Участок диаграммы  - диаграмма «железо-цеменит» (рис. 1). 

Рис. 1 Диаграмма  состояния «железо-цементит» 

      Систему образуют четыре фазы:

1. жидкий раствор углерода в железе (Ж)
2. феррит (Ф)
3. аустенит (А)
4. цементит (Ц)

      Между ними находятся двухфазные области.

      Крайние точки на оси абсцисс соответствуют  чистому железу и цементиту. Точка  А соответствует  , точка D соответствует .

      Линия ACD, ограничивающая жидкость (Ж) – линия ликвидус.

      Линия AECF, ограничивающая твердое – линия солидус.

      Точка G – температура превращения железа, она соответствует .

      Кривая GSE – температурная зависимость предельной растворимости углерода в . Максимальное его содержание 2,14% при .

      Кривая  QP – температурная зависимость предельной растворимости углерода в . Максимальное его содержание углерода в феррите 0,02% при .

      При по линии ECF происходит эвтектическое превращение: из жидкости состава С одновременно выделяются кристаллы аустенита состава Е и цементита состава F, которые в совокупности образуют эвтектику – ледебурит (Л).

      

      Таким образом, эвтектика – это механическая смесь кристаллов двух компонентов, одновременно кристаллизующихся из жидкости. Сплав соответствующего состава называется эвтектическим.

      В нашем случае эвтектика ледебурит  – механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% С полностью переходящая в жидкое состояние при минимальных для цементита температуре .

        Соответственно, при нагреве ледебурита до протекает обратный процесс, т.е. его плавление.

Ледебурит не фаза, а структурная составляющая на цементитной основе (белый фон на микрофоне рис. 2), в который приходятся пластинчатые сотовые колонии аустенита, превращающиеся ниже в колонии перлита (темные колонии рис.2). 

      По  линии PSK происходит эвтектойдное   превращение – перекристаллизовывается эвтектоид в перлит и наоборот.

      

      Перлит – смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода, перекристаллизовывается в аустенит при минимальной для системы .

      Перлит – структурная составляющая, состоящая из параллельных пластинок цементита в ферритной основе. На шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название.

 

     Превращения в сталях.

      Рассмотрим  превращения, которые происходят при  охлаждении стали состава I из жидкого состояния в твердое. Проводим на диаграмме (рис. 1) вертикаль, соответствующую составу I (заэвтектоидная сталь). При пересечении линии ликвидус ACD при температуре t₁ начинается первичная кристаллизация – выделяются кристаллы аустенита А; завершается кристаллизация при пересечении линии солидус AECF при температуре t₂; в результате в интервале температур t₁¸t₂ состояние сплава Ж + А. Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием аустенита.

      В интервале температур t₂¸t₃ сохраняется структура аустенита, никаких превращений не происходит. В интервале температур t₃¸t₄ вследствие уменьшения растворимости углерода (от 2,14 до 0,8%) в аустените по линии ЕS из аустенита выделяется цементит; структура - аустенит плюс цементит (А + Ц). При 727°С содержание углерода в аустените снижается до 0,8% (точки S на диаграмме) и в интервале времени t₄¸t₄¹ происходит эвтектоидная реакция: А превращается в П (на кривой охлаждения рис.1а - горизонталь). Ниже 727°С структура П + Ц остается без изменений.

      Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при температуре  до 727°С сохраняется структура аустенита, а при температуре 727°С происходит эвтектоидная реакция – аустенит превращается в перлит; ниже 727°С структура П остается без изменений.

      Для доэвтектоидных сталей  (С < 0,8%) в интервале между линиями GS – PS  происходит изменение кристаллической решетки железа Fe_g  в Fe_a: аустенит превращается в феррит (А®Ф). Содержание углерода в аустените и феррите повышается.

      Процессы, происходящие при охлаждении (®) и нагреве (¬) обратимы (^¬_®). При нагреве стали состава I структура сплава до температуры 727°С представляет собой ( П + Ц), при 727 °С (А¬П) и структура в интервале температур t₄¸t₃ ( А + Ц) ; при повышении температуры от t₄ до t₃ цементит распадается, а образовавшийся углерод растворяется в аустените; при температуре t₃ содержание углерода в аустените соответствует составу сплава I; в интервале температур t₃–t₂ изменений не происходит; в интервале температур t₂¸t₁ происходит плавление (Ж ¬ А) и выше температуры t₁ сохраняется жидкое агрегатное состояние. 

 

       Ход работы

      Нарисуем  диаграмму «железо-цементит» и  построим термограммы для случаев и .

 

Рис. 4 Термограммы для случаев

(сверху) и (снизу)

 

       Точка

      Фазовый состав – Ф+Ц.

      Состав  фаз –

      

      В данной точке 86,9% феррита и 13,1% цементита. 

      Точка 

      Фазовый состав – А+Ц.

      Состав  фаз – 

      

      В данной точке 28,9% аустенита и 71,1% цементита. 

      Вывод: при помощи диаграммы «железо-цементит» можно проследить превращение сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры.