Построение и изучение диаграммы состояния железо-углерод

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Построение и изучение диаграммы состояния железо-углерод

 

Цель работы: изучение диаграммы состояния железо-углерод на основе метода термического анализа.

 

приборы и принадлежности: муфельная печь СНОЛ-2,5; образцы углеродистой стали определенной формы; щипцы для загрузки образцов в печь, перчатки.

 

Задачи работы:

• изучение термических основ построения диаграмм состояния двойных сплавов;
• построение кривых нагрева и охлаждения образцов железоуглеродистых сплавов;
• построение участков диаграммы состояния железо-углерод; построение кривых нагрева и охлаждения по диаграмме состояния, железо-углерод;
• ориентировочная оценка физических, механических и технологических свойств заданного сплава.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД

 

Диаграмма состояния (рис. 1) представляет собой графическое изображение; состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Она позволяет определить агрегатное состояние сплавов в заданном диапазоне интервалов температур и химического состава, а также компоненты, фазы и структурные составляющие в количественном и качественном отношении.

Компоненты - это  составляющие сплавов, имеющие свои физические и механические свойства. Компонентами черных металлов являются железо Fе и углерод С.

Фазой называется однородная часть системы (сплава), имеющая свои физические и механические свойства, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура сплава изменяются скачкообразно.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В соответствии с этим и изменения в состоянии, которые отражены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перегрева или переохлаждения. Однако равновесные превращения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой

Рис. 1. Диаграмма состояния железо-углерод

 

теоретический случай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечавших теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса..

Правило фаз представляет собой математическое выражение условия равновесия системы, т.е. уравнение правила фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы і и числом компонентов k и фаз f:

і=k-f+1.

   

 Следует знать, что под числом  степеней свободы (вариантностью) системы  понимают число внешних и внутренних  факторов (температура, концентрация), которое можно менять без изменения числа фаз в системе.

Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов, и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

Пример: Определить число степеней свободы жидкого железоуглеродистого сплава, у которого при температуре ликвидус начали выпадать первичные кристаллы аустенита.

Число компонент в этом сплаве 2, т.е. железо и углерод. Число фаз тоже 2, т.е. жидкая фаза и твердая фаза кристаллов аустенита.

Т.о. число степеней свободы будет определено как:

і= 2-2+1=1.

Из ответа следует, что в данной системе существует одна степень свободы по температуре. Т.е. двухфазное состояние может существовать от температуры начала кристаллизации до температуры окончания кристаллизации.

 

СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

 

 Черные металлы представляют  собой сплавы из двух компонентов  железа и углерода (в данной  работе не учитываются примеси  и легирующие добавки), железо  и углерод, неограниченно растворимые  в жидком состоянии, в твердом образуют два типа твердых веществ - ограниченные твердые растворы внедрения углерода в железе и химическое соединение - карбид железа. При этом первичным процессом является образование твердых растворов; карбид железа или цементит образуют атомы углерода, не растворившиеся в железе. Аллотропия железа приводит к образованию двух типов твердых растворов: высокотемпературного (аустенит) и низкотемпературного (феррит).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

 

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Обозначения - А или Fe-γ. В растворенном состоянии в сплавах аустенит существует до 727°С. Максимальное содержание углерода в твердом растворе 2,14%. Твердость НВ=160-200 кгс/мм2.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Обозначение- Ф или Fe-α. Образуется при разложении аустенита ниже 911°С. Максимальное содержание углерода -0,02%. Предел точности 250 МПа; предел текучести 120 МПа; твердость НВ=100-120 кгс/мм2; относительное удлинение - 50%.

Цементит - химическое соединение FезС. Обозначение - Ц. Температура плавления -160  0°С. Аллотропических изменений не испытывает. Содержание углерода - 6,67%. Предел прочности - 1450 МПа; предел текучести - 1400 МПа; твердость – НВ=800 кгс/мм2; относительное удлинение - < 0,1%. Различают три вида цементита. Первичный – Ц1 образующийся при твердеют жидкости в сплавах с содержанием углерода более 2,14%, представляет собой крупные кристаллы; вторичный – Ц2, образующийся при разложении аустенита в сплавах, содержащих углерода более 0,02%, имеет форму пластинок или кристаллов средних размеров; третичный - Цз, образующийся при выделении лишнего углерода из феррита (растворимость углерода в феррите от 0,02% при 727°С до 0,00624% при 20°С), имеет форму мелкой сетки по границам феррита.

Перлит - эвтектоидная (механическая) смесь феррита и вторичного цементита. Обозначение - П. Содержание углерода - 0,8%. Предел прочности - 900 МПа; предел текучести - 400 МПа; твердость НВ=250 кгс/мм2; относительное удлинение - 25%.

Ледебурит - эвтектическая (механическая) смесь аустенита и первичного цементита. Обозначение - Л. Содержание углерода - 4,3%. Предел прочности - 1200 МПа; предел текучести - 800 МПа; твердость - НВ 600 кгс/мм2; относительное удлинение - 1%.

 

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Характеристика и определение линий диаграммы состояния:

АВСД – линия ликвидус начало первичной кристаллизации;

АHIЕСF - линия солидус - окончание первичной кристаллизации;

GSE - начало вторичной кристаллизации (перекристаллизации);

PSK - окончание вторичной кристаллизации для сталей и перекристаллизации для чугунов, эвтектоидная горизонталь;

HIB – перитектическая горизонталь;

ECF– эвтектическая горизонталь;

HJB– перитектическая горизонталь;

SE– линия растворимости углерода в γ-железе;

PQ– линия растворимости углерода в α-железе.

 

Характеристика и определение основных точек диаграммы состояния:

Д – температура плавления цементита (1600 0С);

A– температура плавления чистого железа (1539 0С);

Е–характеризует предел растворимости углерода в аустените и разделяет диаграмму на стали (левее точки Е) и чугуны (правее точки Е);

S – эвтектоидная точка образования механической смеси феррита и вторичного цементита - перлита;

С – эвтектическая точка образования механической смеси аустенита и первичного цементита (ледебурита) из расплава;

I – перитектическая точка образования твердого раствора аустенита из феррита и жидкости;

G – температура перехода α-железа в γ-железо;

N – температура перехода γ-железа в δ-железо.

 

 

РАСЧЕТ массового СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ.

 

Применение правила рычага (рис. 2) сводится к определению массовой концентрации какой-либо фазы при заданной температуре в двухфазной области диаграммы состояния. Для этого нужно через эту точку провести коноду в1в2, соединяющую линии ликвидус и солидус, и разделить длину отрезка коноды, противолежащего данной фазе, на общую длину коноды.

Рис. 2. Пример применения правила рычага (а).

 

Пример: Определить массу твердой -фазы для сплава с концентрацией 25%А+75%В при температуре ТВ (масса сплава 1 кг).

Отрезки в1в0 и в0в2 – это отрезки, соответствующие массовым долям твердой и жидкой mL фаз. Чтобы найти массовую концентрацию твердой фазы, надо длину отрезка, противолежащего к твердой фазе, т.е длину отрезка в0в2, разделить на длину всей коноды в1в2 и умножить на 100%. Точно так же находится массовая концентрация жидкой фазы.

Вначале определим процентное содержание твердой и жидкой фаз.

= ;     =   57,8 %.   Тогда = 100% – 57,8% = 42,2 %.

Если масса сплава 1 кг, то = 578 г.  Соответственно mL= 422 г.

ОРИЕНТИРОВОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

 Свойства сплава с заданным  содержанием углерода определяются  по соотношению структур, рассчитанных с помощью правила отрезков. Механические свойства могут быть определены количественно с помощью графиков, приведенных на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость свойств углеродистой стали от содержания углерода.

 

 

 

 

 

 

ПОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ методом  термического анализа

 

Приборы и принадлежности: трубчатая печь, регулирующий трансформатор, термометры ХА, набор образцов, измерительные приборы типа КСП для замера и записи температур (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема установки для термического анализа: 1 - трансформатор; 2 - трубчатая печь; 3 - измерительные приборы; 4 - образцы металла; 5 - термометры.

 

 

 

Техника безопасности.

 

• Соблюдать общие правила техники безопасности при работе с электроприборами.
• Не вынимать из муфельной печи образцы до полного охлаждения.

 

ПОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ с применением правила фаз гиббса

 

На диаграмме железо-углерод мысленно проводится вертикальная линия, и определяются температуры структурных и фазовых превращений.

Для построения кривой охлаждения какого-либо сплава нужно определить является ли эта температура температурой фазового превращения. Следовательно, для каждой температуры нужно посчитать число степеней свободы і. Если і = 0, то эта температура является температурой фазового превращения и на кривой охлаждения при этой температуре следует рисовать горизонтальное плато. Длина плато зависит от массы сплава и от концентрации углерода. Если і ≠ 0, значит это температура структурного превращения и на кривой охлаждения должен наблюдаться перегиб, т.е. при этой температуре меняется скорость охлаждения.

Например, построим кривую охлаждения для железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 1%.

Мысленная вертикальная линия пересекает диаграмму железо-углерод в 4 местах: при температурах Т1=1480 , Т2=1330 , Т3=820 , Т4=727 .

Для каждой температуры посчитаем число степеней свободы і. Из правила фаз Гиббса    і=k-f+1. Число компонент к = 2 (железо, углерод), 1- число внешних воздействий (температура). Следовательно, для каждой температуры нужно посчитать число фаз f, которые находятся в равновесии при этой температуре.

При Т1 в равновесии находятся жидкость и аустенит, который начал кристаллизоваться. Следовательно f=2, і=2-2+1=1  и на кривой охлаждения будет перегиб.

При Т2 в равновесии находятся аустенит и оставшаяся жидкость. Следовательно f=2, і=2-2+1=1  и на кривой охлаждения будет перегиб.

При Т3 в равновесии находятся аустенит и вторичный цементит, который начал выделяться при вторичной кристсллизации. Следовательно f=2, і=2-2+1=1  и на кривой охлаждения будет перегиб.

При Т4 в равновесии находятся аустенит и вторичный цементит, а также перлит (механическая смесь феррита и цементита), который перекристаллизовывается из оставшегося аустенита. Следовательно f=3, і=2-3+1=0  и на кривой охлаждения будет горизонтальное плато.

Теоретическая кривая охлаждения будет выглядеть следующим образом:

Рис. 5. Кривая охлаждения железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 1%.

 

Порядок выполнения работы.

 

Часть 1

• Изучить схему установки для проведения термического анализа.
• Вставить термопару в образец, закрыть дверцу печи.
• Включить печь.
• Провести исследования закономерности изменения температуры нагрева и охлаждения во времени, отмечая температуру образца через равные промежутки времени. Данные занести в табл. 1.

Таблица 1.

Номер образца и содержание углерода в образце
Номер замера	Время замера, с	Температура, °С	Примечания

 

• Построить график нагрева - охлаждения в координатах "температура-время" и определить критические точки. Занести критические точки в табл. 2.

Таблица 2.

Номер образца	Состав сплава	Температура фазового превращения, °С
		Начальная	Конечная