Теоретические сведения
Диаграмма сплавов железа с углеродом дает представление о превращениях, строении и области существования сталей и сплавов в зависимости от температуры и содержания углерода. Начало изучению этой диаграммы было положено русским ученым Д.К.Черновым в 1868 году.
В зависимости от внешних условий углерод в равновесии с жидкой фазой и твердыми растворами на базе железа может находиться в виде цементита (метастабильное равновесие) и графита (стабильное равновесие). В связи с этим существуют два варианта диаграммы сплавов железа с углеродом - "железо-цементит" (метастабильиая) и "железо-графит" (стабильная). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграмма, так как с ее помощью объясняют не только превращения в сталях и белых чугунах, но она является основой для рационального выбора оптимальных режимов термической обработки железоуглеродистых сплавов.
В железоуглеродистых сплавов при нагревании или охлаждении получаются следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит (табл.1).
Таблица 1
№ п/п | Название структуры | Тип структуры | Содержание углерода % | Число фаз | Механические свойства | Характеристика структуры | ||
σв, МПа | δ,% | НВ, МПа | ||||||
1 | феррит | Твёрдый раствор углерода в α-железе с ограниченной растворимостью | От 0,006 (при 00С) до 0,025 (при 7270С) | 1 | 300 | 40 | 800…1000 | Пластичная, но не прочная |
2 | аустенит | Твёрдый раствор углерода в γ-железе с ограниченной растворимостью | От 0,08 (при 7270С) до 2,14 (при 11470С) | 1 | 600 | 60 | 1800…2000 | Очень пластичная |
3 | Цементит | Химическое соединение железа с углеродом (Fe3C) | 6,67 | 1 | 20000 | 0 | 8000 | Очень твёрдая и хрупкая |
4 | перлит | Механическая смесь феррита с цементитом | 0,8 | 2 | 600 | 20 | 2000 | Средние прочность и пластичность |
5 | ледебурит | Механическая смесь перлита и цементита (ниже 7270С) и аустенита и цементита (выше 7270С) | 4,3 | 2 | 1000 | 1…2 | 4500…5000 | Твёрдая и хрупкая. |
Таблица 2
Обозначение линий | Фазовые превращения на линиях (при охлаждении) | Перечень фаз | Количество фаз | Число степеней свободы |
АС | Начало выделения аустенита из жидкости | Аустенит + жидкость | 2 | 1 |
АЕ | Конец выделения аустенита из жидкости | Аустенит + жидкость | 2 | 1 |
ЕС | Конец выделения аустенита из жидкости и образование ледебурита | Аустенит + Цементит + жидкость | 3 | 0 |
СД | Начало выделения цементита (первичного) из жидкости | Жидкость + цементит | 2 | 1 |
CF | Конец выделения цементита (первичного) из жидкости и образование ледебурита из жидкости | Жидкость + цементит + аустенит | 3 | 0 |
ECF | Образование ледебурита из жидкости | Жидкость + аустенит + цементит | 3 | 0 |
GS | Начало выделения феррита из аустенита | Аустенит + феррит | 2 | 1 |
PS | Конец выделения феррита из аустенита и образование перлита из аустенита | Аустенит + феррит + цементит | 3 | 0 |
PSK | Образование перлита из аустенита | Аустенит + феррит + цементит | 3 | 0 |
ES | Начало выделения цементита (вторичного) из аустенита | Аустенит + цементит | 2 | 1 |
SK | Конец выделения цементита (вторичного) из аустенита и образование перлита из аустенита | Аустенит + цементит + феррит | 3 | 0 |
PQ | Начало выделения цементита (третичного) из феррита | Феррит + цементит | 2 | 1 |
Таблица 3
Обозна-чение точек | Фазовые превращения в точках (при нагревании и охлаждении) | Содер жание углерода % | Соответст-вующая точкам температура | Перечень фаз | Количество фаз | Количество степеней свободы | Примечания |
А | Температура плавления и затвердевания чистого железа | 0 | 1539 | Жидкость + кристаллы железа | 2 | - | Правило фаз Гибсона к однокомпанентным системам неприменимо |
D | Температура плавления и затвердевания цементита | 6,67 | 1600 | Жидкость + цементит (первичный) | 2 | 0 |
|
С | Плавление и образование ледебурита | 4,30 | 1147 | Жидкость + цементит + аустенит | 3 | 0 |
|
Е | Максимальное растворение углерода в аустените | 2,14 | 1147 | Жидкость + аустенит + цементит | 3 | 0 |
|
S | Минимальное растворение углерода в аустените | 0.8 | 727 | Аустенит + феррит + цементит | 3 | 0 |
|
G | Превращение α- железа в γ – железо или наоборот | 0 | 910 | Железо + железо | 2 | - |
|
Р | Максимальное растворение углерода в α - железе | 0,025 | 727 | Аустенит + феррит + цементит (вторичный) | 3 | 0 |
|
Q | Минимальное растворение углерода в α - железе | 0,006 | 0 | Феррит + цементит (третичный) | 2 | 1 |
|
К | Нет фазовых превращений | 6,67 | 727 | Цементит (первичный) | 1 | 0 |
|
Р | Нет фазовых превращений | 6,67 | 1147 | Цементит (первичный) | 1 | 0 |
|
О | Магнитное превращение | 768 | Чистое железо | 1 | 0 |
|
|
Диаграмма сплавов железа с углеродом строится в координатах температура-концентрация углерода (рис. I). При анализе рассматриваются линии и точки диаграммы (табл.2 и 3), применяются правила фаз и отрезков.
Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом и кривая охлаждения сплава с 3% углерода.
Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.
На диаграмме сплавов железа с углеродом фазами являются: жидкий расплав, аустенит, феррит, цементит.
Горизонтальные линии на диаграмме отвечают трехфазным равновесным состояниям сплавов. При температуре 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение: из жидкости одновременно выпадают кристаллы аустенита и цементита. Такая механическая смесь называется ледебуритом.
Во всех сплавах с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется перлитом.
Таким образом, цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз. Цементит, выделяющийся из жидкого расплава, называется первичный, из аустенита - вторичным, из феррита - третичным.
В качестве примера проследим за формированием структуры сплава с содержанием углерода 3%. Из точки, соответствующей содержанию углерода 3% восстановим перпендикуляр (рис.1). Точки пересечения с линиями диаграммы обозначим 1,2,3. В этих точках происходят температурныe превращения. Для построения кривой охлаждения спроектируем точки I, 2, 3 на систему координат "температура - время".
Выше точки I сплав находится в жидком однофазном состоянии. По правилу фаз можно определить расположение кривой охлаждения выше токи I.
С = К + I – Ф
где К - число компонентов в сплаве; Ф- число фаз.
С =2+1-1=2
Это значит, что может меняться температура и концентрация сплава, т.е. кривая охлаждения имеет наклон. В точке 1 происходит кристаллизация аустенита.
Между точками 1 и 2 имеется две фазы: жидкость и аустенит. Число степеней свободы равно
С1-2=2+1-2=1
Это значит, что можно менять один из факторов (температуру или концентрацию) в определённых пределах без изменения числа фаз, т.е. выделение из жидкости кристаллов аустенита происходит при изменении температуры между точками 1 и 2 и кривая охлаждения имеет наклон.
В точках пересечения перпендикуляра с горизонтальными линиями ESF и PSK , т.е. в точках 2 и 3 число степеней свободы надо подсчитывать в одной точке. В точке 2 имеется 3 фазы: жидкость, аустенит и цементит. Число степеней свободы равно:
С2=2+1-3=0
Это значит, что превращение в этой точке происходит при постоянной температуре. Из жидкости одновременно выпадают кристаллы аустенита и цементита.
Кривая охлаждения в точке 2 расположена горизонтально.
Между точками 2 и 3 имеется две фазы: аустенит и цементит.
Число степеней свободы равно:
С2-3=2+1-2=1
Следовательно, кривая охлаждения между точками 2-3 имеет наклон.
В точке 3 имеется три фазы: аустенит, цементит, феррит. Число степеней свободы равно:
С3=2+1-3=0
Ниже точки 3 имеется две фазы : феррит и цементит. Число степеней свободы равно:
С=2+1-2=1
Следовательно, кривая охлаждения ниже точки 3 имеет наклон.
Соотношение или количество жидкой и твердой фаз, а также двух твердых фаз или структурных составляющих определяется по правилу отрезков: соотношение фаз или структурных составляющих в какой-либо точке диаграммы обратно пропорционально длине отрезков от этой точки до линий ограничения этих фаз или структурных составляющих.
В качестве примера определим соотношение фаз в точке b (С = 2,5 %). Через эту точку проведем горизонтальную линию nm до пересечения с линиями АЕ и АС. В точке b сплав состоит из двух фаз - аустенита и жидкости. Для определения количества углерода в аустените спроектируем точку n на ось концентраций и получим 1,8%. Для определения количества углерода в жидком сплаве спроектируем точку m на ось концентраций и получим 3,8%.
Определим количественное соотношение фаз в точке b
Или, воспользовавшись масштабом оси концентраций, получим:
;
Можно определить отношение аустенита или жидкости ко всему сплаву:
;
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Поясните процесс охлаждения железа из жидкого состояния до комнатной температуры. Укажите все критические точки, соответствующие им температуры и превращения происходящие в каждой точке, свойства растворять углерод.
2. Что называется компонентом сплава? Какие сплавы называются двойным? Почему железоуглеродистые сплавы рассматриваются как двойные?
3. Чем отличаются процессы кристаллизации чистых металлов и сплавов?
4. Покажите на диаграмме состояния область сталей и область чугунов. Какая линия разделяет их?
5. Укажите на диаграмме фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.
6. Основные свойства различных структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. Какое влияние оказывают они на свойства сталей и чугунов?
7. Покажите на диаграмме линии ликвидус и солидус и что они обозначают?
8. Какое практическое и теоретическое значение имеет диаграммы состояния?
- Министерство сельского хозяйства и
- Методические указания для выполнения Практической работы №1
- Теоретические сведения
- Индивидуальное задание на выполнение практической работы №1.
- Методические указания для выполнения Практической работы №2
- Назначение, устройство и принцип действия сварочного трансформатора типа тд-300.
- Классификация и обозначение покрытых электродов для ручной дуговой сварки.
- Выбор режима сварки.
- Протокол исследований
- Методические указания для выполнения Практической работы №3
- Методические указания
- 1.Устройство токарно-винторезного станка 16к20.
- 2. Кинематическая схема токарно-винторезного станка 16к20.
- Кинематическая схема токарно-винторезного станка
- Кинематическая цепь главного движения
- 3. Приспособления к токарным станкам
- Содержание отчета
- Методические указания для выполнения Практической работы №4
- Техника безопасности
- Последовательность выполнения работы
- 1. Внеурочная работа.
- Работа в лаборатории.
- Методические указания для выполнения Практической работы №5
- Работа в лаборатории.
- Методические указания к выполнению работы Оформление маршрутных карт
- Приложение Детали для составления технологических карт
- Работа в лаборатории.
- Определение режимов резания и норм времени при механической обработке деталей
- Рассмотрим порядок назначения режимов резания при различных методах обработки Виды обработки резанием
- Точение
- Фрезерование
- Сверление, зенкерование и развёртывание
- Нарезание резьбы резьбовыми резцами, метчиками или плашками
- Протягивание - обработка металла протяжками
- Шлифование - обработка металла абразивными инструментами
- Особенности процесса резания при шлифовании
- 2. Работа единичного зерна
- 3. Абразивные инструменты и их маркировка
- 4. Плоское и круглое шлифование
- Содержание отчета
- Контрольные вопросы
- Методические указания для выполнения Лабораторной работы №1
- Правила техники безопасности:
- Контрольные вопросы
- Методические указания для выполнения Лабораторной работы №2
- Правила техники безопасности:
- Содержание работы
- Содержание отчета
- Литература
- Методические указания Устройство микроскопа мим-7.
- Методика изготовления микрошлифа.
- Структурные составляющие.
- Методика определения содержания углерода в сталях.
- Контрольные вопросы