РАБОТА № 5,6. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ УГЛЕРОДДИСТЫХ СТАЛЕЙ. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЧУГУНОВ.
Сплавы на основе железа и углерода, т.е. железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, являются наиважнейшими сплавами в современном машиностроении. В связи с этим изучение процессов структурообразования железоуглеродистых сплавов является неотъемлемой задачей в понимании природы этих сплавов, их обработки и применения.
Сплав – сложное вещество, состоящее из двух или нескольких простых веществ (называемых компонентами сплава), полученное путём их сплавления, спекания или одновременного осаждения из газовой среды.

Фазовые и структурные состояния железоуглеродистых сплавов при разных концентрациях компонентов сплавов, а также при разных температурах описываются диаграммой метастабильного равновесия Fe–Fe₃C.

Фаза – однородная часть сплава, имеющая собственный химический состав, строение, свойства и отделённая от других частей поверхностью раздела.

Структура – строение сплавов (и металлов), которое характеризуется наличием фаз, их количеством, взаиморасположением и формой.

Диаграмма состояния – диаграмма, показывающая равновесное фазовое состояние сплавов при разных температурах и разных концентрациях компонентов сплава.

Диаграмма метастабильного равновесия Fe–Fe₃C относится к сложным диаграммам состояния. Общий вид диаграммы и её фазовый анализ указан на рис. 1.



Рис. 1. Диаграмма метастабильного равновесия Fe–Fe₃C; указан фазовый состав.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются два химических элемента – железо и углерод.

Железо – это переходный металл VIII группы подгруппы B периодической системы; его атомный номер 26; атомный радиус 1,26 Å; плотность 7,68 г/см³; температура плавления 1539 ^оС; является полиморфным металлом, имеет две кристаллические решётки – ОЦК и ГЦК. Железо испытывает следующие полиморфные превращения:

- при 911 ^оС: (решётка ОЦК решётка ГЦК);

- при 1392 ^оС: (решётка ГЦК решётка ОЦК).

Железо – это ферромагнетик, имеющий точку Кюри равную 768 ^оС, и испытывающий магнитное превращение при переходе через точку Кюри: .

Железо имеет следующие механические характеристики: предел прочности ; пластичность ; твёрдость .

Углерод – это неметалл IV группы подгруппы A периодической системы; атомный номер 6; атомный радиус 0,77 Å; плотность 2,5 г/см^3; температура плавления 3500 ^оС; имеет несколько полиморфных модификаций (алмаз, графит, фуллерен и др.); в отсутствии стабильного равновесия углерод в железоуглеродистых сплавах существует в связанном с железом метастабильном химическом соединении – карбиде Fe₃C, который имеет узкую зону гомогенности (содержание углерода 6,67 – 6,69 %) в интервале температур 580–1260 ^оС.

Компоненты – железо и углерод, при взаимодействии друг с другом образуют следующие фазы: жидкий раствор, α-феррит, аустенит, δ-феррит и цементит.

Жидкий раствор – это ненасыщенный жидкий раствор Fe и C. Обозначается как Ж (L).

α-феррит, аустенит и δ-феррит – это твёрдые растворы внедрения с разной растворимостью углерода в кристаллической решётке Fe.

Твёрдый раствор внедрения – однородная фаза, состоящая из двух или большего числа компонентов (атомов или ионов), причём растворённые компоненты [B] размещаются в междоузлиях кристаллической решётки компонента-растворителя [A]. Т.к. количество пор в решётке компонента растворителя [A]ограничено, то растворимость компонента [B] ограничена в интервале min-max растворимости.

---

Феррит – это твёрдый раствор внедрения углерода в ОЦК решётку (или ) с max растворимостью углерода 0,02% – α-феррит (или с max растворимостью углерода 0,1% – δ-феррит). Обозначается как (или ). В феррите растворено очень мало углерода, поэтому по механическим свойствам феррит близок к железу: предел прочности ; пластичность ; твёрдость . Т.е. феррит – это очень мягкая и пластичная фаза.

Аустенит – это твёрдый раствор внедрения углерода в ГЦК решётку с min растворимостью углерода 0,8% и max растворимостью углерода 2,14%. Обозначается как А. В аустените растворено углерода больше, чем в феррите, поэтому по механическим свойствам аустенит твёрже и прочнее, чем феррит: твёрдость . Однако аустенит – это пластичная фаза (пластичность ).

Цементит является промежуточной фазой – химическим соединением углерода с железом (карбид железа Fe₃C). Обозначается как Ц. Цементит имеет узкую область гомогенности 6,67 – 6,69 % С (на диаграмме указывается либо узкой областью, либо прямой линией). Цементит очень твёрдая (и чрезвычайно хрупкая) фаза: твёрдость (800) HB.

При проведении фазового анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C на ней указывают области существования отдельных фаз (обозначены красным на рис.1) и двухфазные области. При этом пользуются правилом чередования фаз: на любой диаграмме состояния всегда между двухфазными областями находятся однофазные (обозначены чёрным на рис.1.).

На микроструктурах (при комнатной температуре) феррит как отдельная фаза (т.е. не входящая в структурную составляющую) имеет вид белых равноосных зёрен. Цементит как отдельная фаза (т.е. не входящая в структурную составляющую) имеет вид белых длинных протяжённых зерен (если это выделение вторичной фазы – то в виде сетки [в объёме в виде оболочки] по границам другой фазы).

---

равноосные зёрна феррита	цементитная сетка по краям перлита	длинные протяжённые зёрна цементита

Для проведения структурного анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C необходимо указать значение линий на ней:

• 
  Линия ликвидуса (начала кристаллизации) – это линия ABCD;
  
• 
  Линия солидуса (конца кристаллизации) – это линия AHJECF;
  
• 
  Линии переменной растворимости [сольвуса] PQ, ES и DC
  

Линия переменной растворимости показывает, что при понижении температуры растворимость атомов компонента В в твёрдом (или жидком) растворе снижается, это приводит к выделению вторичных кристаллов из твёрдого (или жидкого) раствора, обогащённых атомами В.

Линия переменной растворимости DC показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в жидком растворе Ж снижается от т. D (6,67% С) до т. С (4,3% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит первичный. Обозначается как Ц_I.

Линия переменной растворимости ES показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в аустените снижается от т. Е (2,14% С) до т. S (0,8% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит вторичный. Обозначается как Ц_II.

Линия переменной растворимости PQ показывает, что при понижении температуры растворимость углерода в α-ферритt снижается от т. P (0,02% С) до т. Q (0,006% С), что приводит к выделению богатой углеродом фазы – цементита, называемого цементит третичный. Обозначается как Ц_III.

Первичный, вторичный и третичный цементиты имеют одинаковую природу, однако различаются только внешней формой зёрен (Ц_I в виде длинных протяжённых зёрен, а Ц_II и Ц_III в виде сетки).

• 
  Линия HJB – это линия перитектического превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении перитектическое превращение:
  

Перитектиктическое превращение – процесс взаимодействия кристаллов твёрдого раствора с жидкостью, происходящий изотермически при постоянной концентрации фаз и приводящий к образованию кристаллов другого твёрдого раствора.

---

Образующийся при этом аустенит является перитектикой.

Перитектика – твёрдый раствор, образовавшийся в результате взаимодействия жидкой и твёрдой фазы.

• 
  Линия ECF – это линия эвтектического превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении эвтектическое превращение:
  

Эвтектиктическое превращение – превращение, в результате которого происходит образование эвтектики; протекает при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, одной из которых является жидкость.

Эвтектика – это механическая смесь (образуется, если компоненты не способны к взаимному растворению друг в друге в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием промежуточной фазы) двух или более фаз, одновременно образующихся из расплава при его эвтектической кристаллизации.

Эвтектика называется ледебуритом. Обозначается как Л. Ледебурит – это крайне хрупкая структурная составляющая (твёрдость (600) HB), т.к. содержит 50 % цементита, и цементит в ледебурите – основа. На микроструктуре в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре ледебурит выявляется как зернистая смесь цементита (белая основа) и округлых тёмных зёрен перлита (т.к. аустенит при пересечении линии PSK превращается в перлит).

• 
  Линия PSK – это линия эвтектоидного превращения. Любой железоуглеродистый сплав, пересекающий эту линию испытывает при своём охлаждении эвтектоидное превращение:
  

Эвтектоидное превращение – превращение, в результате которого происходит образование эвтектоида; протекает при постоянной температуре и неизменных составах участвующих фаз, находящихся в твёрдом состоянии.

Эвтектоид – это механическая смесь (образуется, если компоненты не способны к взаимному растворению друг в друге в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием промежуточной фазы) двух или более фаз, одновременно образующихся в результате распада твёрдого раствора.

---

Эвтектоид называется перлитом. Обозначается как П. Перлит – это прочная структурная составляющая (предел прочности ; пластичность ; твёрдость ), имеющая пластинчатое строение. На микроструктуре в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре перлит выявляется как пластинчатая смесь феррита (белые пластинки) и цементита (тёмные пластинки).

Для полного структурного анализа диаграммы метастабильного равновесия Fe–Fe₃C необходимо построение кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов. В результате такого анализа можно указать структурный состав сплавов на диаграмме. Для примера, построим кривую охлаждения сплава с концентрацией по углероду 5 %:



1) до т.1 жидкий раствор состава 1 (5,0% С) охлаждается по вогнутой кривой (поглощение энергии);

2) от т.1 до т.2 двухфазная область, а значит сплав претерпевает «событие»: т.к. сплав пересекает линию переменной растворимости DC, то растворимость углерода в жидком растворе падает от т.1 до т.C ( ). В результате этого из жидкого раствора выделяется фаза богатая углеродом – цементит первичный ( ), причём жидкий раствор не переходит полностью в новую фазу, а остаётся, правда, уже обеднённый по углероду.

3) в т.2 сплав, пресекая линию ECF претерпевает эвтектическое превращение (на кривой охлаждения изображается как прямая 2-2´, т.к. превращение идёт при постоянной температуре), при котором оставшийся жидкий раствор распадается на две фазы – аустенит и цементит, смесь которых называется ледебуритом ( ). Таким образом, на данном этапе в микроструктуре сплава присутствуют цементит первичный и ледебурит (который состоит из аустенита и цементита).

---

Смотрите также файлы

• Лабораторная работа 1 Управление файлами и каталогами и з командной оболочки ос По дисциплине.docx

• Культура россии xix века театр.docx

• Решение педагогической задачи. Алгоритм решения.docx

• Умк Школа России, Учебник Музыка. 1 класс авторы Е. Д. Критская, Г. П. Сергеева, Т. С. Шмагина 2011 г. Тема урока Особенности музыкального языка сольных (ария) и хоровых номеров оперы. Тип урока.doc

• Календарнотематическое планирование по литературе для 10 класс.docx