Короткі теоретичні відомості. Порядок виконання та оформлення роботи

Контрольні питання

Порядок виконання та оформлення роботи

1. Вивчити лекційний матеріал та методичні рекомендації по темі.

2. Розглянути та вивчити мікроструктуру білих, сірих, високоміцних та ковких чавунів з різним вмістом вуглецю.

3. Вивчити класифікацію, умови отримання, область застосування і маркування чавунів, а також властивості білого, сірого, високоякісного та ковкого чавунів.

4. Намалювати мікроструктуру білого доевтектичного, евтектичного і заевтектичного сірого, високоміцного і ковкого чавунів на феритній, феритно-перлітній та перлітній основах.

5. Накреслити діаграму відпалювання білого чавуну на ковкий.

1. Які форми графіту в чавунах відомі, і яка з них є кращою з точки зору механічних властивостей?

2. Чим відрізняються умови отримання білих і сірих чавунів?

3. Які недоліки і переваги має сірий чавун порівняно зі сталлю?

4. Як отримують високоміцний чавун?

5. Яка форма графіту в ковкому чавуні?

6. Як класифікують чавуни за формою графітних включень і металевої основи?

7. Розшифруйте марки чавунів: СЧ25, ВЧ70, ВЧ100-2, ВЧ80-2, КЧ37-12, КЧ50-5.

8. Які існують чавуни залежно від форми виділення вуглецю в чавунах?

9. Які із цих хімічних елементів є графітизуючими: кремній, молібден, титан, вольфрам, нікель, мідь, сірка, хром, алюміній?

10. Карбідоутворюючі елементи – це …. Наприклад:

ПРАКТИЧНА РОБОТА №5
«ВЛАСТИВОСТІ ТА ДІАГРАМА СТАНУ ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВ»

Мета роботи: вивчити лінії, точки і області діаграми залізо-цементит, її фази і структури; перетворення в сплавах з різним вмістом вуглецю при нагріванні і охолодженні; застосування правил фаз і відрізків.

Діаграма залізо-цементит (рис. 1) дає уявлення про будо­ву вуглецевих сплавів – сталей і чавунів, та є основою для з'ясування процесів, що проходять при нагріванні і охолодженні залізовуглецевих сплавів (сталей і чавунів). У залізовуглецевих сплавах при нагріванні або охолодженні утворюються такі структурні складові: ферит, аустеніт, цементит, перліт та ледебурит. У таблиці 2 подано характеристику структурних складових залізовуглецевих сплавів.

Чисте електролітичне залізо – це м'який пластичний метал світ­лого кольору зі щільністю 7,85 г/см³, температурою плавлення 1539 °С. Воно має границю міцності σ_в = 250...280 МПа, відносне видовження δ = 50 %, відносне звуження ψ = 80 %, твердість 80 НВ і ударну в'язкість а _н = 3000 кДж/м². Залізо зберігає магнетизм до температури 768 °С і є феромагнітним. Під час нагрівання і охоло­дження в залізі відбуваються одне магнітне перетворення за темпе­ратури 768 °С і два поліморфних за 911 та 1392 °С.

Альфа-залізо (Fe_α) існує в двох інтервалах температур: нижче за 911 °С та 1392...1539 °С. В інтервалі температур 911...1392 °С існує γ-залізо (Fe_γ).

Кристалічні ґратки заліза здатні розчиняти різні елементи, утворюючи з металами розчини заміщення, а з неметалами (С, N, Н) – розчини втілення. Розчинність вуглецю в залізі значно зале­жить від типу кристалічних ґраток заліза і його температури. За кім­натної температури в Fe_α розчиняється 0,006 % С, а за 727 °С – 0,025 % С. Твердий розчин вуглецю в Fe_α називають феритом (ліва частина діаграми від 0 до 911 °С (QPG)).

Цементит – хімічна сполука вуглецю з залізом (Fe₃C – карбід заліза), що утворюється при відповідному стехіометричному спів­відношенні атомів заліза і вуглецю. Це найтвердіша (800 НВ) і дуже крихка фаза в сплавах залізо – вуглець, яка містить 6,67 %С. Щіль­ність цементиту 7,82 г/см³, температура плавлення 1250 °С. Цементит феромаг­нітний до температури 217 °С і здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю в кристаліч­ній орторомбічній ґратці це­ментиту (рис. 0) можуть заміщатися атомами азоту, кисню, а атоми заліза – ато­мами мангану, хрому, вольф­раму та іншими металами. Цементит – нестійка хі­мічна сполука, яка під час нагрівання розпадається з утворенням вуглецю у ви­гляді графіту.

При аналізі розглядаються лінії і точки діаграми (табл. 1 і 3), застосовуються правила фаз та відрізків.

Для визначення ступеня вільності використовують закон Гібса за рівнянням: С=К-Ф+ п, де К – кількість компонентів; Ф – кількість фаз; п =1 – кількість зовнішніх чинників (температура).

Рис. 0. Кристаліч­на орторомбічна ґратка це­ментиту

Вище лінії АВСD всі сплави знаходяться в рідкому стані і число ступенів волі С = К - Ф +1=2-1+1=2 (див. рис. 1). Це означає, що сплави можна нагрівати і охолоджувати, змінювати їх концентрацію і вони залишаються рідкими в стані рівноваги.

Між лініями АBС та АHJЕС і лініями СD та СF сплави двофазні, складаються із твердої фази і рідини, при цьому число ступенів волі дорівнює С =2-2+1=1 (табл. 1). Із вищевикладеного виходить, що система в даних областях має один ступінь волі і для зберігання її рівноваги можна змінювати лише один фактор рівноваги - температуру або концентрацію. Дві фази і один ступінь волі є також у всіх інших областях діаграми окрім аустенітної, де між лініями NHJЕС і GSЕ система однофазна і має два ступеня волі С =2-1+1=2.

На горизонтальних лініях ЕСF і РCК система трифазна і число ступенів волі С =2-3+1=0 (див. табл. 1). На лінії ЕСF за охолодження утворюється ледебурит, а налінії РSК – перліт. Нульовий ступінь волі на цих лініях обумовлює суворо постійні температури при утворенні ледебуриту (1147 °С) і перліту (727 °С). Із таблиці 3 видно, що дві фази і один ступінь волі мають усі криві лінії і точки А, D, G, Q; три фази і нульовий ступінь волі – точки Р, S, Е, С; в точках К і F фазових перетворень немає.

Правилом відрізків або правилом важеля користуються для визначення відсоткового і вагового складу рідкої і твердої фаз або двох різних твердих фаз (кількість структурних складових та їх концентрації).

Для цього, наприклад, із точки b (рис. 2) проводять горизонталь до ліній GР і GS. Проекція точки а на вісь концентрацій показує вміст вуглецю в фериті, а проекція точки с – вміст вуглецю в аустеніті за певної температури.

Для визначення кількісного відношення аустеніту і фериту необхідно скласти обернено пропорційне відношення відрізків: ,

де Q_фер – кількість фериту; Q_ауст – кількість аустеніту для температури, що відповідає точці b.

Нехай у точці b маса всього сплаву становить 100 %, тоді Q_фер /(100- Q_фер)=. Підставляючи значення відрізків bс і аb, що визначені з діаграми стану, можна вирахувати кількість фериту, а потім і кількість аустеніту.

Візьмемо для прикладу сплав із вмістом вуглецю 2,7 % та визначимо відсотковий і ваговий склад рідкої і твердої (аустеніт) фаз, кількість структурних складових та їх концентрації за температури = 1250 °С (рис. 1 а).

Для цього через точку b (див. рис. 1, а) проводимо горизонта­льну лінію до перетину її з лініями ABC і JE, що обмежують зону діаграми Fe – Fe₃C, отримавши на них точки а і с. Проекція точки b на вісь концентрації покаже вміст вуглецю в сплаві К₂, про­екція точки а – вміст вуглецю в аустеніті, а проекція точки с – у рідкій фазі (L) за заданої температури. При зміні температури сплаву К₂, зміниться концентрація вуглецю у відповідних фазах (аустеніті і рідкій фазі).

Отже, отримаємо а = 1,4 %С, b = 2,7 %С, с = 3,6 %С.

Щоб визначити кількісне співвідношення аустеніту і рідкої фази (кількості фаз) у точці b, потрібно взяти співвідношення відрізків ab і bc зворотно пропорційно кількостям цих фаз для сплаву К₂: ;
кількість аустеніту Q_Ауст за рівнянням: ;

а кількість рідкої фази Q_Р за рівнянням: .

Отже

,

.

Знайдемо концентрацію кожної фази: аустеніт складається з 1,4 %С та 98,6 % Fe; рідина складається 3,7 %С та 96,3 % Fe.

Користуючись правилом фаз (законом Гіббса), побудуємо криву охолодження для сплаву К₁ і криву нагрівання для сплаву К₂, ви­ходячи з діаграми стану Fe–Fe₃C (див. рис. 1, а). Наприклад, у процесі охолодження сплаву К₁ діаграми стану Fe–Fe₃C у точці 1 на лінії ABC (див. рис. 1) із рідкої фази L виділяються кристали аустеніту, що фіксуємо, зносячи точку 1 на систему координат температура – час (див. рис. 1,б).

Рис. 1. Діаграма стану залізо-цементит (а); крива охолодження сплаву К1 (б); крива нагрівання сплаву К2 (в)

Так само переносимо точки 2, 3 і 4, які відповідають фазовим перетворенням, що відбуваються в сплаві К₁ у процесі його кристалізації.

S

Рис. 2. Частина діаграми залізо-цементит. Вторинна кристалізація сталей.

Рис. 3. Діаграма залізо-цементит. Вторинне перетворення у високо вуглецевих

сплавах (чавунах).

Згідно з правилом фаз, у точці 4 процес кристалізації відбувається ізотер­мічно (за конкретної температури і впродовж певного часу), що фік­сується горизонтальною лінією 4 – 4'. Криву нагрівання сплаву К₂, яку побудовано за правилом фаз, наведено на рис. 1, в.

За діаграмою залізо-цементит можна побудувати криві охолодження. Для цього точки перетину вертикалі з лініями діаграми (рис. 1 б, в, 2 і 3), яка позначає сплав визначеної концентрації, переносять на систему координат температура-час і будують криву нагрівання або охолодження цього сплаву. Точки перетину з кривими лініями діаграми відповідають перегинам на кривих охолодження і нагрівання, а точки перетину з горизонтальними лініями відповідають площинкам на тих же кривих.

Таблиця 1.

Фазові перетворення на лініях за діаграмою залізо-цементит

Позначення ліній	Фазові перетворення на лініях (при охолодженні)	Перелік фаз	Кількість фаз	Число ступенів волі
ВC	Початок виділення аустеніту Feγ з рідини	Аустеніт + рідина
JE	Кінець виділення аустеніту Feγ з рідини	Аустеніт + рідина
АВ	Початок виділення фериту Feε з рідини	Ферит + рідина
АН	Кінець виділення фериту Feε з рідини	Ферит + рідина
HN	Початок виділення аустеніту Feγ з фериту Feε	Аустеніт + ферит
NJ	Кінець виділення аустеніту Feγ з фериту Feε	Аустеніт + ферит
HJD	Перетворення рідини в аустеніт Feγ та ферит Feε	Аустеніт + цементит + рідина
EC	Кінець виділення аустеніту Feγ з рідини і утворення ледебуриту	Аустеніт + цементит + рідина
CD	Початок виділення цементиту Fe3C (первинного) з рідини	Рідина + цементит
CF	Кінець виділення цементиту Fe3C (первинного) з рідини і утворення ледебуриту із рідини	Рідина + цементит + аустеніт
ECF	Утворення ледебуриту із рідини	Рідина + аустеніт + цементит
GS	Початок виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ	Аустеніт + ферит
GМ	Кінець виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ	Аустеніт + ферит
МP	Кінець виділення фериту Feα з аустеніту Feγ	Аустеніт + ферит
PS	Кінець виділення фериту Feβ з аустеніту Feγ і утворення перліту із аустеніту Feγ	Аустеніт + ферит + цементит
PSK	Утворення перліту із аустеніту Feγ	Аустеніт + ферит + цементит
SE	Початок виділення цементиту Fe3C (вторинного) із аустеніту Feγ	Аустеніт + цементит
SK	Кінець виділення цементиту Fe3C (вторинного) із аустеніту Feγ і утворення перліту із аустеніту Feγ	Аустеніт + цементит + ферит
PQ	Початок виділення цементиту Fe3C (третинного) із фериту Feα	Ферит + цементит
МО	Лінія магнітного перетворення, яке відбувається при 768°С для сплавів до 0,6%С, фериту Feβ → фериту Feα	Аустеніт + ферит

Таблиця 2.

Характеристика структурних складових залізовуглецевих сплавів (сталей і чавунів).

Назва структури	Тип структури	Зміст вуглецю, %	Число фаз	Механічні властивості	Характе-ристика структури
sв, кгс/мм^2	δ, %	НВ, кгс/мм^2
Ферит	Твердий розчин вуглецю в a-залізі з обмеженою розчинністю	Від 0,006 (при 0°С) до 0,025 (при 727°С)				80...100	Пластична але не міцна
Аустеніт	Твердий розчин вуглецю в g-залізі з обмеженою розчинністю	Від 0,8 (при 727°С) до 2,14 (при 1147°С)				180...200	Дуже пластична
Цементит	Хімічне з’єднання заліза з вуглецем (Fe3C)	6,67					Дуже тверда і крихка
Перліт	Механічна суміш фериту і цементиту	0,80					Середні міцність і пластичність
Ледебурит	Механічна суміш перліту і цементиту (до 727 °С), аустеніт і цементит (від 727 до 1147 °С)	4,30			1...2	450...500	Тверда і крихка

Таблиця 3.

Фазові перетворення в точках за діаграмою залізо-цементит.

Позна-чення точок	Фазові перетворення в точках (при нагріванні та охолодженні)	Зміст вуглецю, %	Температура відповідно точкам, °С	Перелік фаз	Кількість фаз	Число ступенів волі	Заува-ження
A	Температура плавлення і кристалізації чистого заліза			Рідина + кристали заліза		-	Правило фаз Гіббса до одно-компонентних систем не застосовується
D	Температура плавлення і кристалізації цементиту	6,67		Рідина + цементит (первинний)		-
C	Плавлення і утворення ледебуриту	4,30		Рідина + цементит + аустеніт
E	Максимальне розчинення вуглецю в аустеніті	2,14		Рідина + аустеніт + цементит
S	Мінімальне розчинення вуглецю в аустеніті	0,80		Аустеніт + ферит + цементит
G	Перетворення a-заліза в g- залізо або g- заліза в a- залізо			a-залізо + g-залізо		-
P	Максимальне розчинення вуглецю в a- залізі	0,025		Аустеніт + цементит (вторинний)+ ферит
Q	Мінімальне розчинення вуглецю в a- залізі	0,006		Ферит + цементит (третинний)
K	Немає фазових перетворень	6,67		Цементит (первинний)
F	Немає фазових перетворень	6,67		Цементит (первинний)
M	Магнітне перетворення			Чисте залізо

Дата добавления: 2014-10-15