Построение диаграммы состояния свинец – олово

Найденные значения критических точек из табл. 2 перенести на поле диаграммы состояния свинец – олово (рис. 16), приняв левую вертикаль – 100 % свинца, а правую – 100 % олова.

Восстанавливают три ординаты от точек, соответствующих соста­вам исследуемых сплавов. На пяти ординатах (три для сплавов и две оси ординат для чистых компонентов) наносят значения критических точек. Затем плавными кривыми соединяют все точки начала, а все точки конца кристаллизации. Все линии диаграммы обозначить буквами. На поле диаграммы обо­значить фазовый состав областей. Ниже поля диаграммы обозначить структуры сплавов.

Линия авс - ликвидус - представляет собой совокупность то­чек начала кристаллизации всех сплавов данной системы (ав:ж®a; вс:ж®b). Выше этой линии все сплавы находятся в состоянии жид­кого раствора.

Линия adвес - солидус - это совокупность точек конца крис­таллизации всех сплавов данной системы. Ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдой состоянии.

В данной системе линия dвe одновременно является и линией эвтектического превращения (dве: ж® (a+b); df и eк - линии ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии (df:a®b_II; ек: b®a _II).

Контрольные вопросы

1. На чём основан термический анализ?

2.Указать на диаграмме свинец - олово (рис. 16) точки начала и конца первичной кристаллизации: а) доэвтектического сплава; б) эвтектического сплава; в) заэвтектического сплава; г) фазовый состав в областях, находящихся выше и ниже этих точек.

3.Укажите на рис. 17 номера сплавов, соответствующих заданной кри­вой охлаждения.

4.Указать на диаграмме свинец - олово точку конца вторичной крис­таллизации.

а) доэвтектического сплава; б) заэвтективеского сплава.

5.Укажите линию начала кристаллизации жидкого раствора

а) в a - твердый раствор; б) в b - твёрдый раствор.

6. Укажите линию, показывающую предельную растворимость: а) олова в свинце; б) свинца в олове.

7. Укажите процессы кристаллизации, обусловленные понижающейся рас­творимостью олова и свинца при охлаждении.

8. Укажите на диаграмме свинец - олово области существования: а) a - твёрдого раствора; б) b - твёрдого раствора;

в) a + b; г) a + ж; д) b + Ж.

8.Укажите структурный состав в различных областях диаграммы.

Рис. 16. Диаграмма состояний свинец – олово

Рис. 17. Кривая охлаждения

Лабораторная работа № 4

Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Цель работы: изучить микроструктуру сталей и чугунов в равновесном состоянии и установить связь между структурой и свойствами.

Содержание работы

Под равновесным состоянии понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаг­раммой состояния. Это наступает только при медленном охлаждении. Основой для определения фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния железо – цементит (рис. 18). В сплавах железа с углеродом образуются следующие фазы.

1. Феррит-твердый раствор внедрения углерода в α – железе. Максимальная растворимость углерода в a - железе составляет 0,006 % при 0 °С и 0,02 % при 727 °С. Кристаллическая решетка – объемноцентрированный куб. Магнитен, имеет небольшую твёрдость НВ 80. На диаграмме занимает область GPQ.

2. Аустенит-твердый раствор внедрения углерода в γ – железе. Максимальная растворимость углерода в g- железе составляет 2,14 % при 1147 °С. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Аустенит не магнитен. На диаграмме занимает область NJESG. Существует в сплавах железо – углерод только при температурах выше 727 °С.

3. Цементит (карбид железа) – химическое соединение, отвечаю­щее формуле Fе₃С. Цементит содержит 6,67 % углерода. Твёрдый (НВ 800) и хрупкий, слабо магнитен. Кристаллическая решетка ром­бическая.

4. Графит – аллотропическая модификация углерода. Имеет гексагональную решетку. Твёрдость и прочность графита очень малы.

Рис. 18. Диаграмма состояния железо – цементит

Классификация железоуглеродистых сплавов

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 счёт выделения цементита. Растворимость углерода в феррите определяется линией РQ (рис. 19).

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 °с (рис. 18, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:

А_{0,8 % C} ® 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 стали (концентрация углерода от 0,02 % до 0,8 %), при комнатной температуре состоящие из двух фаз - феррита и цемен­тита, структура таких сталей - феррит и перлит;

– эвтектоидные стали (концентрация углерода 0,8 %), также состо­ящие из двух фаз - феррита и цементита, структура - перлит;

– заэвтектоидные стали (концентрация углерода от 0,8 % до 2,14 %) и имеющие структуру перлит и 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, то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.

Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при тем­пературе 1147 °С (рис. 18, линия ЕСF), в результате которого об­разуется ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита: Ж_{4,3 % С}®Л _{А2,14 % С} + Ц_{6,67 % С.}

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

По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:

– на доэвтектические чугуны (2,14 % - 4,3 % углерода). Фазовый сос­тав - феррит и цементит; структурный состав - ледебурит, перлит, цементит вторичный;

– эвтектические чугуны (4,3 % углерода). Фазовый состав – феррит и цементит; структурный состав - ледебурит;

– заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % у глерода). Фазовый состав- феррит и цементит, структурный состав – ледебурит, цементит пер­вичный.

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

По мере увеличения концентрации углерода в сплаве увеличивает­ся доля цементита в структуре и возрастает твёрдость сплава. Так, при концентрации углерода в стали 0,4 % твёрдость составляет НВ 160 – 180 (6 % цементита и 94 % феррита), а при концентрации углерода в чугуне 4 % твёрдость составляет НВ 600 – 650 (60 % це­ментита и 40 % феррита).

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 или большая часть углерода 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 или большая часть углерода находится в стру­ктурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны – трёхкомпонентный, как минимум, сплав, то диаграмма железо - цементит для определения структуры сплавов не пригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.

По металлической основе серые чугуны подразделяется:

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

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

– 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.

К о в к и м и ч у г у н а м и называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода 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.

Дата добавления: 2014-11-25