Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Введение

Железо и его сплавы являются важнейшим конструкционным материалом современной техники и промышленного производства благодаря удачному сочетанию их свойств и ряда других факторов. Вместе с тем, в земной коре много железной руды, а её добыча не представляет особых трудностей. На основе железа можно получать широкий спектр конструкционных материалов разного рода, обла-дающих самыми разнообразными свойствами. Например, чугун - прочный материал с довольно низкой температурой плавления, кото-рому путем литья можно придать любую форму. Сталь, в зависи-мости от ее состава, может быть либо прочным, но пластичным мате-риалом для изготовления, скажем, профильного проката, из которого строят мосты и морские суда, либо очень твердым и тугоплавким материалом для металлорежущего инструмента. В тоже время, железо - единственный известный недорогой магнитный материал, а потому из него можно изготовить магнитные сердечники трансфор-маторов, генераторов тока и электродвигателей.

В связи с огромным значением железа и его сплавов для про-мышленного производства и, для экономики страны в целом, при изучении материаловедения этой теме уделяется первостепенное значение.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы

1. Научиться анализировать формирование структуры сплавов при кристаллизации и при фазовых превращениях в твёрдом состоя-нии по диаграмме состояния «железо-цементит».

2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей с различным содержанием углерода в равновесном состоянии.

3. Приобрести навыки определения содержания углерода и марки стали по её структуре.

4. Установить зависимость между структурой и механическими свойствами углеродистых сталей.

5. Освоить маркировку углеродистых сталей.

Теоретическая часть

К сплавам железа с углеродом относятся техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо может содержать до 0,025 % углерода. К сталямотносятся сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами.

В зависимости от условий кристаллизации углерод в железо-углеродистых сплавах может находиться в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии виде химического соеди-нения Fe₃C – карбида железа, называемого иначе цементитом. Соот-ветственно различают диаграммы состояния «железо-графит» (Fe–C) и «железо-цементит» (Fe–Fe₃C). По диаграмме «железо–цементит» происходит формирование структуры сталей и белых чугунов, а по диаграмме «железо–графит» формируется структура серых чугунов (об этом в работе №9).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Компонентами в железоуглеродистых сплавах являются железо и углерод. Железо плавится при 1539 и претерпевает полиморфное превращение, связанное с обязательной перестройкой кристалли-ческой решётки при двух критических температурах: 911 и 1392 ºС. При нагреве до 911 ºС железо имеет объёмноцентрированную куби-ческую (ОЦК) решётку и такое железо называется α–железо или иначе Fe_α. При 911 ºС происходит полиморфное превращение ОЦК решётки Fe_α в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку. Железо с образованной ГЦК решёткой устойчиво до 1392 ºС и назы-вается γ – железо или Fe_γ. В интервале температур 1392…1539 °С железо вновь приобретает ОЦК решётку и оно обозначается Fe_δ.

Второй компонент системы углеродявляется неметаллическим элементом, плавится при 3500 °С. Углерод в сплавах железа может находиться в элементарном (свободном) состоянии в виде графита в (чугунах), а также может войти в состав различных фаз.

В железоуглеродистых сплавах, в зависимости от температуры и концентрации углерода, различают следующие фазы: жидкий сплав; твердые растворы – феррит и аустенит; химическое соединение цементит Fe₃C. Рассмотрим эти фазы.

Жидкая фаза(Ж) представляет собой неограниченный раствор углерода в железе в расплавленном состоянии.

Аустенит(A)–твердый раствор внедрения углерода в γ- железе. Он имеет (как и Fe_γ) ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке и поэтому растворимость углерода в Fe_γ значительно больше и достигает 2,14 % при температуре 1147 ºС и 0,8 % – при 727 ºС. При комнатной температуре аустенит в углеро-дистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Феррит(Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α – железе. Различают низкотемпературный α - феррит с максимальной раство-римостью углерода 0,025 % при температуре 727° С и высокотем-пературный δ - феррит с максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499° С. Феррит имеет хорошие пластические свойства (δ = 50 %, ψ = 80 %), но невысокие прочность (σ_в = 250 МПа) и твердость (80...100 НB).

Цементит(Ц) является химическим соединением железа с углеродом, иначе карбид железа Fe₃C, содержит 6,67 % C. Для цементита характерна высокая твердость (800 HBW) и очень низкая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. Темпера-тура плавления цементита точно не определена (около I252[1] °С).

Поиск по сайту: