Аналіз діаграми стану залізо-цементит, вивченнямікроструктури та властивостей вуглецевих сталей
Мета роботи:Вивчити мікроструктури вуглецевих сталей та їх маркування. Розглянути перетворення, які у залізовуглецевих сплавах відповідно до діаграмою стану.
Вивчити основні перетворення, що протікають у залізовуглецевих сплавах, що кристалізуються за діаграмою залізо-цементит.
Визначити на зразках вуглецевих сталей твердість на приладі Роквелла за шкалою HRB.
Пояснення до роботи
Компонентами системи Fe – Fe3С є залізо Fe та цементит Fe3С.
Залізо кристалізується при температурі 1539°С, у твердому стані зазнає поліморфних перетворень:
α - Fe має кристалічну решітку об'ємно центрованого куба і існує при температурах нижче 911 0 С.
γ-Fe має кристалічну решітку гранецентрованого куба і зберігається в інтервалі температур 911-1392 0 С;
δ-Fe має кристалічну решітку об'ємно-центрованого куба, є високотемпературною модифікацією α - Fe і існує при температурах 1392-1539 0 .
При температурі 768 0 С (крапка Кюрі) залізо змінює магнітний стан; нижче 768 0 З залізо феромагнітне, а ніші-немагнітно.
Другий компонент системи - цементит, він має ромбічну решітку і є метастабільним з'єднанням, і при високих температурах і великих концентраціях вуглецю дисоціює з утворенням графіту і твердого розчину вуглецю в - Fe або - Fe.
Фази та структурні складові залізовуглецевих сплавів
На діаграмі Fe - Fe3С розрізняють у твердому стані три фази: ферит, аустеніт, цементит і три структурні складові: перліт, ледебурит евтектичний і. ледебурить перетворений.
Ферит Ф- твердий розчин впровадження вуглецю в α - Fe при 727 0 С може містити 0,02%вуглецю, при кімнатній близько 0,01%, пластичний, має твердість близько 600 МПа. При розчиненні у ферит марганцю, кремнію, фосфору твердість підвищується до 900 МПа. Ферит феромагнітний до температури 768 0 С, є чистим залізом, має межу міцності приблизно 250 МПа.
Аустеніт А- твердий розчин впровадження вуглецю в - Fe. При 1147°С може містити до 2,14% вуглецю, при 727°С – 0,8%. Аустеніт немагнітний, в'язок, має твердість до 2000 МПа (названий на ім'я англійського вченого Р. Аустена).
Цементит Ц- карбід заліза Fe3C, містить 6,67% С, тендітний, твердість 8000 МПа, слабомагнітний (при 217 0 С повністю втрачає магнітні властивості). Розрізняють цементит первинний, вторинний та третинний. Цементит первинний кристалізується із рідкого сплаву по лінії DC. Цементит вторинний випадає з аустеніту по лінії ES і розташовується на межах зерен перліту. Цементит третинний виділяється із фериту по лінії PQ.
Перліт П– евтектоїдна суміш фериту та цементиту. Утворюється в результаті розпаду аустеніту концентрації точки S при температурі 727 0 С та містить 0,83% С. Перліт може бути пластинчастим та зернистим. Твердість перліту збільшується з його дисперсністю. Твердість зернистого перліту 1600 – 2200 МПа, а пластинчастого – 2000 – 2500 МПа.
Ледебурит Л– евтектика, являє собою евтектичну суміш цементиту та аустеніту, гранично насиченого вуглецем. Кристалізується ледебурит із рідкого сплаву концентрації точки З при температурі 1147 0 С. Названий на ім'я німецького вченого А. Ледебура.
Ледебурит перетворенийскладається з цементиту первинного та перліту, існує при температурах нижче 727 0 С, відрізняється великою твердістю (7000 МПа) та крихкістю.
Мал. 1Діаграма станузалізо – цементит
Побудова кривих охолодженнязаданихсплавів за діаграмою стану
Маючи діаграму стану, можна побудувати схематичну криву охолодження вибраного сплаву, яка відобразить характер кривої охолодження, отриманої експериментально.
Для побудови схематичної кривої охолодження обраного сплаву на осі концентрації діаграми стану знаходимо точку, відповідну складу сплаву, та проводимо вертикальну лінію.
У місцях перетину з ліліями діаграми відзначаємо критичні точки 1, 2, 3, 4 (рис. 2) та проектуємо па вісь температур координатної системи «температура-час». При побудові схематичної кривої слід керуватися міркуванням, що за наявності в системі процесів, що супроводжуються виділенням тепла, температура знижується повільніше при одноваріантному рівновазі або температурна зупинка при безваріантному стані. Температура знижується швидше, якщо в системі не відбувається процес із виділенням тепла.
У нашому прикладі (рис. 2) охолодження рідкого сплаву відбувається швидко, в процесі кристалізації буде уповільнення охолодження, оскільки тепло кристалізації протягом тривалого часу частково компенсує тепловіддачу в навколишнє середовище. Після закінчення кристалізації швидкість охолодження збільшується, температура знову буде швидко знижуватися. При виділенні вторинної фази з твердого розчину охолодження уповільнюється, але не так сильно, як при кристалізації рідкого сплаву. При евтектичному, евтектоїдному та перитектичному перетвореннях у двокомпонентній системі повинні бути температурні зупинки.
Кути нахилу окремих ділянок у кривій охолодження мають бути в наступній залежності: