Влияние концентрации углерода на свойства железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов

Содержание работы

Задание для самостоятельной работы студентов

1. Изучите содержание вышеизложенной лабораторной работы.

2. Используя показания отсчета температур согласно заданному варианту, постройте кривые охлаждения сплавов.

3. Найдите критические точки сплавов и занесите их в сводную таблицу значений критических точек.

4. Постройте диаграмму состояния и обозначьте фазовый состав областей и структуры сплавов.

5. Оформите отчет.

Вариант 1. Таблица отсчетов температур для диаграммы «Серебро – медь»

№ п/п	100 % Аq	5 % Сu 95 % Аq	14,1 % Сu 85,9 % Аq	20 % Сu 80 % Аq	39,9 % Сu 60,1 % Аq	80 % Сu 20 % Аq	95 % Сu 5 % Аq	97,5 % Сu 2,5 % Аq	100 % Сu
	960,5
	960,5
	960,5
	960,5
	960,5
	960,5
	960,5
	960,5

Вариант 2. Таблица отсчетов температур для диаграммы «Олово – цинк»

№ п/п	100 % Sn	100 % Zn	4 % Sn 96 % Zn	9 % Sn 91 % Zn	20 % Sn 80 % Zn	50 % Sn 50 % Zn

4.4. Лабораторная работа № 4

МИкроструктура железоуглеродистых сплавов

в равновесном состоянии

Цель работы: изучение микроструктуры сталей и чугунов в равновесном состоянии и установление связей между структурой и свойствами.

1.1. Фазы и структуры диаграммы «Железо – цементит»

Под равновесным состоянием понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это происходит только при медленном охлаждении. Основой для определения фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния «Железо – цементит» (рис. 4.4.1). В сплавах железа с углеродом образуются следующие фазы и структуры.

Рис. 4.4.1. Диаграмма состояния «Железо – цементит»

Аустенит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_γ иболее твердыйи пластичный (δ = 40–50 %, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14 % при 1147 °С. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрированная.

Феррит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_α – мягкая, пластичная фаза (σ_В = 300 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %, 650–800 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Феррит магнитен до 768 ºС. Кристаллическая решетка – кубическая объемно-центрированная. Предельная концентрация углерода в феррите при 0 ºС – 0,006 %, при 727 ºС – 0,02 %, в высокотемпературном феррите – 0,1 %.

Увеличение содержания углерода свыше 0,02 % вызывает образование третьей фазы – цементита, которая представляет собой химическое соединение Fe₃C, имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность. Температура плавления цементита – около 1250 ºС. Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабоферромагнитен. Кристаллическая решетка ромбическая.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита является прочной структурной составляющей (σ_В = 800–900 МПа, δ = 16 %, 1800 HB).

Ледебурит – э втектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727ºС, а ниже линии SK (727 ºС) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.

Графит – полиморфная модификация углерода, кристаллическая решетка которого образована параллельными слоями гексагональных сеток. Графит электропроводен, имеет малую прочность (≈ σ_В= 5–10 МПа) и твердость (НВ 30).

Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содержанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме «Железо – цементит»все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.

Техническим железом называются сплавы с содержанием углерода от 0 до 0,02 %. При концентрации углерода до 0,006 % сплавы являются однофазными и имеют структуру феррита.

Сплавы с содержанием углерода от 0,006 % до 0,02 % являются двухфазными. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной температуре. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006 %, оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счет выделения цементита.

Сталями называются сплавы железа с углеродом, концентрация которого находится в пределах от 0,02 % до 2,14 %.

Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структуру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 ºС (рис. 4.4.1, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:

А_{0,8 % С} → П (Ф_{0,02 % С} + Ц_{6,67 % С}).

Продуктом данного превращения является перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся:

· на доэвтектоидные (концентрация углерода от 0,02 % до 0,8 %), при комнатной температуре состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура таких сталей – феррит+перлит;

· э втектоидные (концентрация углерода 0,8 %), также состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура – перлит;

· заэвтектоидные (концентрация углерода от 0,8 % до 2,14 %), имеющие структуру перлит+цементит, образованную из двух фаз – феррита и цементита.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде химического соединения Fe₃C), то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.

Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при температуре 1147 ºС (рис. 4.4.1, линия ЕСF), в результате которого образуется ледебурит – эвтектиче­ская смесь аустенита и цементита:

Ж_{4,3 % С} → Л_{2,14 % С} + Ц_{6,67 % С}.

При температуре 727 ºС происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:

· на доэвтектические (от 2,14 % до 4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, перлит, цементит вторичный;

· эвтектические (4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит, структурный состав − ледебурит;

· заэвтектические (от 4,3 до 6,67 % углерода). Фазовый состав − феррит и це­ментит, структурный состав − ледебурит, цементит первичный.

Все рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз − феррита и цементи­та, но имеют разную структуру, а именно структура определяет свойства сплавов.

Белые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, но высокая твёрдость исключает их механическую обработку. Поэтому белые чугуны не являются конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.

Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно,не уменьшая концентрации углерода, добиться резкого уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого необходимо, чтобы весь углерод или большая его часть выделилась в свободном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.

Серыми чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны, как минимум, трёхкомпонентные сплавы, то диаграмма «Железо − цементит» для определения структуры сплавов непригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.

По металлической основе серые чугуны подразделяются:

· на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластинчатый;

· на феррито-перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;

· на перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.

Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обрабатываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объясняется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.

Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его прочность, нужно изменить форму графита − пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием − введением в расплав малых количеств магния или церия.

Высокопрочными чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровидного графита.

По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:

· на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;

· феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;

· перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.

Ковкими чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Получают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.

По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:

· на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;

· феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;

· перлитные ковкие чугуны со структурой перлит и графит хлопьевидный.

По мере повышения концентрации углерода в стали и чугуне изменяются структура и их механические свойства. Прочность горячекатаной стали в нормализованном состоянии с увеличением содержания углерода повышается, а пластичность снижается (рис. 4.4.2). Повышение прочности достигает предельного значения при содержании углерода около 0,9 %. При дальнейшем увеличении количества углерода наблюдается возрастание твердости, но снижение прочности. Это объясняется влиянием хрупкой цементитной сетки, которая окружает зерна перлита и уменьшает прочность связи между ними.

Кроме того, с увеличением содержания углерода снижаются технологические свойства стали, увеличивается усадка, ухудшается жидкотекучесть, ковкость и свариваемость, затрудняется механическая обработка. Поэтому для сварных конструкций используют стали с пониженным содержанием углерода (до 0,3 %), а штамповки изготовляют из стали с содержанием углерода до 0,5 %.

Рис. 4.4.2. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Следует остановиться на влиянии формы цементита на механические свойства перлита. Частички цементита в перлите могут быть не только в виде пластинок, но и в виде округлых зерен.

Изменение формы цементита существенно изменяет механические свойства стали и прежде всего пластич­ность. У стали со структурой зернистого перлита предел прочности и твердости ниже на 15−20 %, чем у стали со структурой пластинчатого перлита, а относительное удлинение выше в 2−4 раза. Например, сталь с содержанием 0,8 % С со структурой пластинчатого перлита имеет предел прочности σ_В = 800 МПа, относительное удлинение δ = 14 %, а со структурой зернистого перлита σ_В = 590 МПа,
δ =29 %. Повышенная пластичность зернистого перлита объяс­няется тем, что глобулярные частицы цементита оказывают меньшее сопротивление развитию пластической деформации по сравнению с пластинчатыми. Энергия, необходимая для разрушения металла при динамической нагрузке, в этом случае увеличивается, ударная вязкость возрастает.

Увеличение концентрации углерода у белых чугунов повышает их твердость от HRC 35 при 2,2 % С до HRC 48 при 4,3 % С и соответственно хрупкость. Динамическая прочность белых чугунов близка к нулю. С увеличением углерода в серых чугунах увеличивается количество и размер графитных включений, что также снижает прочность.

Углерод оказывает влияние и на свойства серых чугунов. Увеличение содержания углерода ведет к увеличению количества графитовых включению и снижению механических свойств, но значительно улучшают литейные свойства.

Также значительно влияние размеров и формы графитных включений на механические свойства у серых чугунов (рис. 4.4.3). Измельчая графитные включения, повышают в 2−3 раза предел прочности чугуна. У чугунов, имеющих крупные, пересекающиеся графитные включения, предел прочности при растяжении уменьшается до 120 МПа. Наиболее высокую прочность имеют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом. Наибольшее относительное удлинение при достаточно высокой прочности (370 МПа) имеют ковкие ферритные чугуны (δ до 12 %).

Рис. 4.4.3. Зависимость механических свойств чугуна от формы и размеров графитовых включений (СЧ 12 – с грубопластинчатым графитом, СЧ 32 – с мелким завихрённым графитом)

Дата добавления: 2014-10-15