Диаграмма состояния железо - углерод. Структура и свойства углеродистых сталей и чугунов (Лабораторная работа)

 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить диаграмму состояния железо-углерод.

1.2. Изучить микроструктуры углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии. Установить зависимость между структурами и механическими свойствами углеродистых сталей.

1.3. Изучить микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов.

Установить зависимость между составом, условиями получения, структурами и механическими свойствами чугунов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Ознакомиться с диаграммой состояния железо-углерод.

2.2. Ознакомиться с построением кривых охлаждения отдельных сплавов системы железо-углерод.

2.3. Ознакомиться с зависимостью механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода.

2.4. Изучить и зарисовать микроструктуры углеродистых сталей и чугунов.

Обозначить названия структурных составляющих.

2.5. Оформить отчет к лабораторной работе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом Железо - металл сероватого цвета. Температура плавления - 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации α, γ и δ. Модификация α существует при

температурах ниже 911 °С. Кристаллическая решетка α-железа - объемноцентрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,28606 нм. Плотность α-железа 7,68 Мг/м3 . Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 - 1392 ｰС.

Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,3645 нм. В интервале 1392 - 1539 ｰС существует δ-железо с кристаллической решеткой объемноцентрированного куба (ОЦК) с периодом решетки 0,293 нм.

Углерод - неметаллический элемент II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 Мг/м3 , температура плавления 3500 ｰС, атомный радиус 0,077 нм. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде алмаза.

В системе железо - углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 оС и менее 0,01% при

комнатной температуре, растворимость в δ –феррите - 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σb=250 МПа, НВ =800 МПа).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе.

Предельная растворимость углерода в γ-железе - 2,14% при температуре 1147оС и 0,8%  при 727 оС. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа

Fe3C, содержащий 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной

упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около

I260ｰС). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ -

8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).

Графит (Гр) имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку.

Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм), расстояние между плоскостями

- 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью.

Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной - железо-цементит и стабильной - железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.

Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу  аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит - 6,67 %С, жидкая фаза - от 2,14 до 6,67 %С,

графит – 100 %C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.

Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис.З.1.

Линии диаграммы: АВСВD (линия ликвидус - место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус - место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при

затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость

углерода соответственно в аустените и феррите.