Мета роботи

 

1.1 Вивчити діаграму стану залізовуглецевих сплавів, як узагальнений результат експерементальних даних з досліджень сплавів заліза з вуглецем.

1.2 Провести фазовий аналіз будови діаграми стану залізо-вуглець.

1.3 Провести структурний аналіз будови діаграми стану Fe-C.

1.4 Засвоїти термінологію фазової і структурної будови діаграми стану залізовуглецевих сплавів.

2 Прилади та технічні засоби навчання

 

Моделі кристалічних ґраток α і γ - заліза, стенд діаграми стану залізо-вуглець, крива охолодження чистого заліза.

3 Методичні вказівки до самостійної роботи

 

Опрацювати за конспектом лекцій та підручниками і рекомендованими посібника­ми тему " Будова діаграми стану залізо-вуглець". Звернути увагу на те, що діаграма стану залізо-вуглець побудована для сплавів з концентрацією вуглецю лише до 6.67%С, яка відповідає 100% хімічній сполуці Fe₃C (рисунок 6.1). Оскільки сплави з більшим вмістом вуглецю дуже крихкі і на практиці не використовуються.. Таку концентрацію вуглецю-6.67% має карбід заліза Fe₃C. В системі залізо-вуглецевих сплавів Fе₃С, як фазу, називають цементитом, який в системі залізовуг­лецевих сплавів поводить себе як самостійний компонент.

Слід звернути увагу на те, що вуглець при охолодженні залізовуглецевих сплавів може не тільки хімічно взаємодіяти з залізом, утворюючи Fe₃C, а й виділятися у вигляді графіту. Тому розрізняють дві діаграми стану: залізо-цементит (Fe-Fe₃C) і залізо-графіт (Fe-C). Перша діаграма на рисунку 6.1 показана суцільними лініями, друга – штриховими. Всі лінії системи Fe-C розміщуються на діаграмі вище ліній системи Fe-Fe₃C (евтектичне і евтектоїдне перетворення відбувається за вищих температур: 1153 і 738^оС відповідно). Точки C, E, S зміщені вліво (С – 4, 26%, Е – 2, 11%, S – 0, 7%). Діаграму стану Fe-Fe₃C називають нестабільною (метастабільною), оскільки це­ментит за певних умов розпадається з утворенням вільного вуг­лецю (графіту), а діаграму стану Fe-C називають стабіль­ною.

Оскільки основним компонентом в залізо-вуглецевих сплавах є залізо, то слід звернути увагу на властивості заліза, особливо на його поліморфізм – властивість зміню­вати тип кристалічної ґратки в твердому стані. Залізо кристалізується в кількох моди­фікаціях (α;, γ;, δ), (рисунок 6.1).

Обов'язково запам'ятати розчинність вуглецю в α - і γ ‑ залізі, так як теорія термічної обробки залізо-вуглецевих сплавів ґрунтується на фазових перетвореннях α → γ і змінній розчинності вуглецю в α, і γ – залізі при зміні температури. α -залізо при кімнатній температурі може розчинити 0.006%С (точка Q на діаграмі) і найбільше 0.02%С (точка P на діаграмі) при температурі 727°С.

Мінімальна розчинність вуглецю в γ -залізі складає 0.83%С при температурі 727°С (точка S на діаграмі) і максимальна – 2.14%С (точка Е на діаграмі) при температурі 1147°С.

Вникнути в механізм фазового перетворення чистого заліза та залізо-вуглецевих сплавів, відзначивши при цьому, що фазові перетворення чистого заліза відбуваються при постійній температурі, а в залізовуглецевих сплавах – в інтер­валі температур.

 

 

Слід також звернути увагу на сплав з концентрацією вуглецю 4.3%. Це сплав, який криста­лізується з рідкого стану при постійній температурі, як чистий метал. Температура кристалізації такого сплаву відповідає 1147°С. При постійній температурі 1147°С із розплаву одночасно виділяються крис­тали аустеніту і це­ментиту, утворюючи механічну суміш – (евтектику) ледебурит. Евтектика (ледебурит) є ос­новною структурною ознакою білих чавунів.

Слід запам'ятати назву фаз які, утворює залізо при взаємодії з вуглецем в твердому стані: ферит, аустеніт, цементит, а також механічні суміші – евтектоїд (перліт) і евтекти­ку (ледебурит).

Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в α - залізі. Розрізняють ни­зькотемпературний α - ферит, з розчинністю вуглецю до 0.02% при температурі 727^оС і високотемпературний δ - ферит, з граничною розчинністю вуглецю 0.1% при температурі 1499 ^оС.

Ферит (при 0.006%С) має приблизно наступні механічні характеристики: σ _{0, 2} = 250 МПа, δ 50%, ψ = 80%, НВ 80-90.

Аустеніт ( А) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в γ - залізі. Гранична розчинність вуглецю в γ - залізі -2.14% при температурі 1147 ^оС.

Цементит (Ц) - це хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза Fе₃С. В цемен­титі міститься 6.67%С. До характерних особливостей цементиту відноситься його ви­сока твердість НВ > 700, і дуже мала пластичність.

Перліт (П) - це механічна суміш (евтектоїд) фериту і цементиту, що утворюється при повному розпаді аустеніту при 727 ^ОС.

Ледебурит (Л) — це механічна суміш (евтектика), що на момент утворення складаєть­ся з суміші аустеніту і цементиту. Утворюється при температурі 1147^оС і вмісту вуг­лецю в рідині 4.3%. При температурі нижчій 727^оС ледебурит – це механічна суміш перліту і цементиту (П+Ц_ІІ).

Кожна точка на діаграмі має відповідну концентрацію і температуру.

А - температура плавлення чистого заліза (1539°С).

Н, J, В - лінія перетектичного перетворення при температурі 1499°С.

Н - концентрація вуглецю 0.1%.

В - концентрація вуглецю 0.16%.

J - концентрація вуглецю 0.51%.

С - 4.3%С у рідкій фазі в стані рівноваги з аустенітом і цементитом при евтектичній температурі 1147°С.

Е - 2.14%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з цементитом при евтектичній тем­пературі 1147°С.

N - критична точка чистого заліза - 1392°С.

G - критична точка чистого заліза - 911 °С.

Р - 0.02%С гранична кількість вуглецю, розчиненого у фериті, що знаходиться в рівновазі з аустенітом і з цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.

S - 0.83%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з феритом і цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.

4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту

 

4.1 Накреслити діаграму стану Fe-Fe₃C. Нанести позначення точок, ліній.

4.2 Вказати однофазні і двофазні області діаграми стану, застосовуючи правило коноди.

4.3 Записати назву ліній та значення критичних температур евтектичного і евтектоїдного перетворення.

4.4 Користуючись правилом відрізків, визначити в заданому сплаві і при заданій температурі:

а) хімічний склад кожної фази;

б) кількісне співвідношення фаз у процентах.

4.5 Нанести штрихові лінії, що розділяють структурні області діаграми стану Fe-Fe₃C.

4.6 Вказати структурні складові, що характеризують кожну область діаграми стану Fe-Fe₃C.

4.7 Дати визначення усім фазовим і структурним складовим діаграми стану.

4.8 Дати характеристику лініям діаграми стану.

5 Контрольні запитання

5.1 Що таке фаза? Структура?

5.2 Що таке поліморфізм (алотропія)?

5.3 Що називається феритом, аустенітом, цементитом?

5.4 Що таке евтектика і евтектоїд? В чому їх відмінність?

5.5 Яка максимальна розчинність вуглецю у фериті і аустеніті? При якій темпе­ратурі?

5.6 Скільки вуглецю містить в собі цементит?