Влияние растворимости углерода на структуру сплава

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 9Следующая ⇒

В связи с изменением растворимости углерода в a- и g-железе при охлаждении и нагревании структура сплавов также изменяется. При охлаждении твердые растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита или графита). Из рисунка 1.3 видно, что при охлаждении сплава I ниже температуры точки 7 из феррита выделяются кристаллы цементита третичного. В сплаве VI в интервале температур 3-4 из аустенита выделяется цементит вторичный. При нагревании высокоуглеродистые фазы (в сплавах I и VI это цементит) растворяются в феррите или в аустените.

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому железоуглеродистые сплавы часто метастабильны. В зависимости от переохлажденияцементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл.

При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если сплавы, содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация – зарождается и растет графит, а цементит растворяется. Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна.

Распад аустенита при охлаждении

Важную роль при формировании структуры в твердом состоянии играет эвтектоидный распад аустенита на феррит и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит, при небольшом увеличении переохлаждения – феррит и сфероидизированный цементит, затем смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При переохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и аустенит превращается в мартенсит.

Из рис. 1.3 и 1.4 видно, что при медленном охлаждении сплавы, содержащие более 0, 02% С при температуре 727 °С испытывают эвтектоидное превращение аустенита в фазовую смесь феррита и цементита (перлит). На кривых охлаждения появляется горизонтальная площадка.

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с методическим пособием. Вычертить диаграмму «железо – цементит», подписать все точки, линии, поля диаграммы. Ответить на контрольные вопросы. Построить кривую охлаждения для сплава из жидкого состояния до комнатной температуры. Объяснить, какие фазовые и структурные превращения испытывает сплав при охлаждении. Концентрация углерода выбирается согласно своему варианту из таблицы 1.1 или задается преподавателем.

Таблица 1.1

Варианты индивидуальных заданий

Номер варианта	Содержание углерода, %	Номер варианта	Содержание углерода, %
	0, 05		1, 60
	0, 12		2, 30
	0, 16		2, 50
	0, 20		2, 80
	0, 35		3, 00
	0, 40		3, 50
	0, 50		3, 80
	0, 60		4, 20
	0, 80		4, 50
	1, 00		5, 00
	1, 20		5, 50
	1, 40		6, 0

Контрольные вопросы

Какие диаграммы стабильного и метастабильного равновесия вы знаете? Почему они так называются?

2. Что называется фазой? Какие фазы существуют в сплавах железа с углеродом в случае стабильного равновесия? Охарактеризуйте каждую из кристаллических фаз.

3. Какие точки на диаграмме показывают температуры полиморфных превращений в железе?

4. Назовите точки диаграммы, отвечающие предельным содержаниям углерода в твердых растворах.

5. Что показывают линии ликвидус и солидус?

6. Перечислите изотермические превращения в системе «Fe – Fe₃C».

7. Какое влияние оказывает скорость охлаждения на формирование структуры сплавов?

Лабораторная работа 2

Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей и чугунов

Цель работы: изучить равновесную структуру углеродистых сталей и чугунов, научиться определять содержание углерода в сталях по микроструктуре, установить взаимосвязь между структурой, свойствами, применением сталей и чугунов.

Сплав железа с углеродом менее 2, 14% называется сталью. Кроме железа и углерода сталь содержит технологические добавки – кремний и марганец, вводимые при выплавке для раскисления, то есть для удаления вредных оксидов, особенно FeО. В процессе выплавки, несмотря на различные технологические приемы, в сталях остаются вредные примеси – фосфор и сера.

Влияние постоянно присутствующих примесей на свойства сталей

· Кремний раскисляет сталь по реакции: 2FeO + Si ® 2Fe + SiO₂. В углеродистых сталях кремния 0, 17÷ 0, 37%. В таком количестве кремний полностью растворяется в феррите, увеличивая прочность и упругость, немного снижая вязкость и пластичность.

· Марганец вводится в сталь для ее раскисления по реакции:

FeO + Mn ® Fe + MnO. Также марганец нейтрализует вредное влияние сульфида железа FеS. В углеродистых сталях марганца содержится 0, 5÷ 0, 8%. в таких количествах марганец немного повышает предел прочности, сопротивляемость стали истиранию, не оказывая заметного влияния на пластичность и вязкость.

Фосфор является вредной примесью для сталей. Фосфор, растворяясь в феррите, резко снижает его вязкость, пластичность, повышает прочность. Это влияние сказывается при наличии фосфора больше 0, 3%. Фосфор сильно ликвирует, создает участки, обогащенные фосфором, которые располагаются по границам зерен в виде фосфидной эвтектики (Fе₃Р + Fе). Границы зерен являются местом, где зарождаются трещины при низких температурах, возникает явление хладноломкости (свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры).

· Сера – вредная примесь в стали. В любых количествах сера растворяется в железе и образует легкоплавкую эвтектику (FeS + Fe) с относительно невысокой температурой плавления (985 °С). Сульфидная эвтектика находится в жидком состоянии при температуре горячей обработки металлов давлением (900÷ 1200 °С) и является причиной красноломкости (хрупкость при горячей обработке давлением) сталей. Для нейтрализации вредного влияния сульфида железа FeS в сталь вводят марганец. Соединяясь с серой, он образует сульфид МnS с температурой плавления 1620 °С. При температуре горячей обработки металлов давлением сульфид марганца весьма пластичен и при деформации вытягивается вдоль направлений прокатки в виде продолговатых линз. Эти включения недопустимы в ответственных деталях. Они не влияют на статическую прочность деталей, но снижают усталостную и динамическую прочность и ударную вязкость.

Структурные составляющие в сталях

Феррит – мягкая, малопрочная, пластичная структурная составляющая стали. Твердость НВ = 700÷ 800 МПа, предел прочности s_В= 250 МПа, относительное удлинение d= 40%, ударная вязкость КСU= 2, 5 МДж/м².

Цементит (карбид железа) – химическое соединение, отвечающее формуле Fe₃С, содержит углерода 6, 67%. Цементит обладает высокой твердостью НВ=8000 МПа, он хрупкий, имеет пластичность, практически равную нулю. Увеличение количества цементита в сталях приводит к повышению твердости и снижению пластичности. Во всех сталях присутствует цементит, входящий в состав перлита. Структурно свободный цементит (вторичный) содержится в заэвтектоидных сталях. Избыточный вторичный цементит не только повышает твердость сталей, но и охрупчивает их (см. рис. 2.1).

Перлит – эвтектоидная фазовая смесь феррита и цементита с концентрацией углерода 0, 8%. Свое название он получил по перламутровому оттенку шлифа после травления. В зависимости от формы цементита перлит бывает зернистым и пластинчатым. Пластинчатый перлит образуется при медленном охлаждении аустенита, зернистый получают отжигом. Их свойства различаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности при растяжении около 800 МПа, твердость НВ = 2000 МПа, относительное удлинение 15%. Чем выше скорость охлаждения, тем мельче пластиночки перлита, тем выше твердость и прочность, ниже пластичность. Зернистый перлит менее прочен и тверд, чем пластинчатый, но более пластичен и вязок (НВ = 1870 МПа). Пластинчатый перлит затрудняет обрабатываемость резанием. Поэтому металлургические заводы, согласно ГОСТу, обязаны выпускать инструментальные стали со структурой зернистого перлита.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 Следующая ⇒