Файл: Praktikum матеріалознавство.doc

Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14%С, у структурі яких присутній перліт, називаються сталями. Сталі поділяються на доевтектоїдні (С=0,02…0,8%С, структура Ф+П); евтектоїдні (С=0,8%С, структура перліт); заевтектоїдні (С=0,8…2,14%С, структура П+Ц_ІІ). Схеми структур цих сталей показані на рис.5.3.

Сплави, які містять від 2,14 до 6,67%С, у структурі яких присутня певна доля евтектики – ледебуриту, називаються чавунами. Вони поділяються на доевтектичні (С=2,14…4,3%С, структура П+Л); евтектичні (С+4,3%С, структура - ледебурит); заевтектичні (С>4,3%С, структура Ц_І+Л).

Цементит третинний в сталях і чавунах, а також цементит вторинний в евтектичному і заевтектичному чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі зазвичай не визначаються.

Необхідно зазначити, що всі описані зміни структури, що проходять при охолодженні сплавів, повторюються і при нагріванні сплавів ( у зворотному порядку). Це справедливо лише в тому випадку, коли охолодження і нагрівання проходять із дуже малими швидкостями, і при будь-якій температурі всі можливі перетворення повністю завершені і сплави знаходяться в стані фазової рівноваги.

Про фазові перетворення можна судити по кривих їх охолодження або нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в сталі з 0,4% С (рис. 5.2). Вище точки 1 сталь знаходиться в рідкому стані і безперервно охолоджується. В інтервалі температур 1-2 із рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусу АВ, випадають кристали -фериту, склад яких визначається по солідусу АН. За правилом фаз С=2-2+1=1, tconst. При кристалізації виділяється тепло, на ділянці кривої 1-2 охолодження сплаву зменшується. При температурі точки 2 проходить трьохфазне перитектичне перетворення: Р_В+_Н  А₁+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Залишкова рідина кристалізується при безперервному охолодженні в інтервалі температур 2-3 з утворенням аустеніту. В інтервалі 3-4 сплав має структуру А (аустеніту), безперервно охолоджується. При температурах 4-5 проходить поліморфне перетворення,

ГЦК перебудовується в ОКЦ гратку і з аустеніту виділяються кристали -фериту.

При температурі точки 5 проходить трьохфазне евтектоїдне перетворення А_(S) Ф_(Р)+Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5(до точки 6) - Ф+П (рис.5.3, а).

При температурі точки 5 проходить трьохфазне евтектоїдне перетворення А_(S) Ф_(Р)+Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5(до точки 6) - Ф+П (рис.5.3, а).

Масові долі (%) фериту й перліту як структурних складових сталей можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 600⁰С Ф=(0,8-0,4)/(0,8-0,01)100=50%,а перліту П=(0,4-0,01)/(0,8-0,01)100=50%. Масова доля фериту як фази, що існує разом із цементитом, Ф=(6,67-0,4)/(6,67-0,01)100=94%. Решта 6% належать іншій фазі – цементиту.

Таким чином, структура, що містить 0,4%С, складається із 50% фериту і 50% перліту (відповідно фазовому аналізу - 94% Ф+6%Ц). Аналогічна ферито-перлітна структура (тільки з різною часткою цих складових) усіх доевтектоїдних сталей (рис.5.3,б).

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II з 1,5% вуглецю (рис.5.2) відбувається в інтервалі температур від точки 7 до точки 8, коли з рідкої сталі з’являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації від температури точки 8 до точки 9 в аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ES – лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в -Fe (аустеніті), то нижче від точки 9 аустеніт стає перенасиченим вуглецем. Надлишкові атоми вуглецю виходять із гратки аустеніту, зв’язуються з атомами заліза у хімічну сполуку – цементит. Такий цементит визначають як вторинний - Ц_II. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку. При охолодженні до 727^оС кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8% (від точки 9 до точки S по лінії ES) і такий аустеніт при температурі точки 10 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей – темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис.5.3,г).

Рис.5.3. Схеми структур: а – технічного заліза; б —доевтектоїдної сталі; в – евтектоїдної сталі; г – заевтектоїдної сталі

Як уже зазначалось, залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14% є чавунами, які поділяються на евтектичні, до- і заевтектичні.

У доевтектичних чавунах (сплав III, рис.5.2) первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між точками 12 і 13 з виділенням аустеніту. При температурі точки 13 (1147^оС) проходить евтектичне перетворення Р_С Л(А_Е+Ц). У відповідності з правилом фаз – С=2-3+1=0 – це перетворення відбувається при постійній температурі (див. криву охолодження сплаву III).

Після закінчення цієї реакції структура сплаву буде складатися з аустеніту та ледебуриту. При зниженні температури з 1147^ОС до 727^ОС (точка 14) із аустеніту, в якому було 2,14% С за рахунок зменшення розчинності вуглецю до 0,8% (точка S) виділяється вторинний цементит Ц_II, що розміщується навколо зерен аустеніту. Такий вторинний цементит виділяється також і з аустеніту, що входить до складу ледебуриту. При температурі 727^ОС проходить евтектоїдне перетворення аустеніту (як первинного, так і того, що входив до складу ледебуриту) в перліт (АП), після завершення якого кінцева структура доевтектичних чавунів (рис.5.4,а) буде складатися з перліту (темні зерна) і плямистої структури ледебуриту (темні плями перліту на фоні світлого цементиту). Вторинний цементит зливається з цементитом ледебуриту і як окрема фаза не спостерігається.

Структура евтектичного чавуну з 4,3%С – суто ледебуритна (рис.5.4,б).

Рис.5.4. Схеми структур чавунів: а – доевтектичного; б – евтектичного; в - заевтектичного.

Кристалізація заевтектичних чавунів (сплав IV на рис. 5.2) починається з виділення в т. 16 кристалів первинного цементиту Ц₁ у вигляді пластин. При температурі т.17 (1147^ОС) відбувається евтектичне перетворення Р_С Л(А_Е+Ц), після завершення якого структура буде складатися з ледебуриту і первинних кристалів цементиту. Така структура буде зберігатися аж до кімнатної (т.19) з тією різницею, що в кінцевому ледебуриті буде не аустеніт, а перліт, який утворився внаслідок евтектоїдного перетворення при температурі т.18 —727^ОС (рис.5.4,в).

Ці чавуни називаються білими, оскільки в зламі мають білий сріблястий колір, який визначається наявністю в структурі цементиту.

Діаграма стабільної рівноваги, позначена на рис.5.1 і 5.2 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази – графіту на всіх етапах процесу структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. В інтервалі температур ліквідус DC – солідус CF із рідини виділяється графіт. При евтектичній температурі 1153⁰С (ізотерма E¹C¹F¹) рідина складу С затвердіває з утворенням графітної евтектики (А_Е+Г). В інтервалі температур ECF – PSK через зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія ES) виділяється графіт. При евтектоїдній температурі (t_PSK=738⁰С) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,7%(S¹) і аустеніт розпадається на ферит і графіт.

Таким чином, при охолодженні сплавів, які включають 2,14…6,67% С, формується структура, яка складається з фериту та графіту. Це так звані графітизовані чавуни.

Завдання на роботу.

1. Уважно вивчити теоретичний матеріал.

2. Скласти звіт про роботу, в якому:

• зробити рисунок діаграми стану залізо – цементит і нанести на неї ординату, що показує склад сплаву у відповідності з варіантом табл.5.1;

• дати точну назву вказаного сплаву;

• показати криву охолодження сплаву (поруч з діаграмою стану);

• описати процес кристалізації і подальшого формування структури цього сплаву з рідкого стану до кімнатної температури;

• визначити, які фази і структурні складові будуть у сплаві при кімнатній температурі;

• визначити кількість цих фаз і структурних складових за правилом важеля;

• показати схему кінцевої структури сплаву з вказівкою на схемі структурних складових.

Таблиця 5.1

Контрольні питання для самопідготовки