Основные теоретические сведения

Имеется много методов построения диаграммы состояния (дилатометрический, электрический, магнитотермический, термический и др.). Сущность любого из них сводится к нахождению критических точек при нагреве или охлаждении металлов и сплавов. Критическими точками называются температуры, при которых начинаются и/или заканчиваются какие-либо превращения в сплавах. Определив экспериментально критические точки серии сплавов, строят полную диаграмму состояния в координатах "температура – концентрация". Диаграмма состояния железо-цементит (рисунок) охватывает сплавы, содержащие углерод в количестве от 0 до 6,67 %. При содержании 6,67 % углерода он образует химическое соединение с железом Fe3C – карбид железа, называемый также цементитом. Один из компонентов сплавов – железо – имеет несколько аллотропических модификаций:

- до 911°С железо имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку(ОЦК) с периодом 0,286 нм;

- в интервале температур 911…1392 °С – гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку, а выше 1392 °С – снова объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, но с другим периодом – 0,293 нм.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на техническое железо (≤0,02 % С), углеродистые стали (от 0,02 до 2,14 % С) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % С). Стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02-0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С), заэвтектоидные (0,8…2,14 % С). Чугуны по содержанию углерода классифицируются на доэвтектические (2,14…4,3 % С), эвтектические (4,30 % С), заэвтектические (4,30…6,67 % С).

Процессы, происходящие в сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который носит название правила фаз и выражает зависимость числа степеней свободы системы «с» от количества компонентов «к», фаз «ф» и внешних переменных факторов «n» в условиях равновесия:

                                            с = к + n – ф.                                        (1)

 

При рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура и поэтому n = 1. Система железо-цементит является двухкомпонентной, то есть к = 2. Отсюда следует, что

 

                                  с = 2 + 1 – ф = 3 – ф.                                    (2)

 

Для построения кривой охлаждения (или нагрева) сплава, прежде всего, необходимо найти на концентрационной оси диаграммы состояния координату, соответствующую содержанию углерода в сплаве. Затем из найденной точки следует восстановить перпендикуляр до области существования жидкой фазы. Кривая охлаждения (или нагрева) строится справа от диаграммы состояния в координатах температура (ось абсцисс) - время (ось ординат). Масштаб оси времени произвольный, а масштаб оси температуры такой же, как и на диаграмме состояния.

Во время охлаждения сплава в нем происходят фазовые превращения. Каждое превращение протекает за определенный промежуток времени, поэтому соответствующие им участки кривой охлаждения имеют различные углы наклона по отношению к горизонтальной оси. Чем быстрее происходит превращение, тем круче кривая. Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения идут во времени при постоянной температуре (так как с = 0), следовательно, им на кривой охлаждения будут соответствовать горизонтальные участки.

Построение кривой охлаждения рассмотрим на примере чугуна, содержащего 5 % углерода (см. рисунок). Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 5 % углерода на оси абсцисс до точки 1, находящейся в области жидкого состояния сплавов. Переносим пунктиром температуру точки 1 на ось температур нашего графика. В точке 1 рассматриваемый сплав находится в жидком состоянии (то есть существует только одна фаза  жидкий раствор углерода в железе), следовательно с = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до точки 2. Точкой 2 обозначено пересечение нашей вертикали с линией CD диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации цементита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза  цементит, число степеней свободы уменьшается (с = 3 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке кривой 1-2 указываем фазовое состояние сплава “ж” и число степеней свободы, равное 2, соответственно на участке 2-3 фазовое состояние “ж + ц”, а число степеней свободы с = 1. При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.

Точка 3 (пересечение вертикали с линией ECF) соответствует эвтектическому превращению, то есть совместной кристаллизации цементита и аустенита с образованием ледебурита. При этом одновременно существуют три фазы: жидкость, цементит и аустенит, следовательно число степеней свободы с = 3 – 3 = 0, и система нонвариантна, три фазы могут находиться в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждения это отражено отрезком 3-3*. Между точками 3 и 4 сплав имеет двухфазное состояние (аустенит и цементит) и с = 3 – 2 =1. При температуре, соответствующей точке 4, в сплаве происходит эвтектоидное превращение, аналогичное эвтектическому. Отличие только в том, что в нем участвуют только твердые фазы: аустенит, цементит и феррит. На кривой охлаждения делаем соответствующие записи.

Порядок выполнения работы

5.1.Изучить диаграмму состояния железо-цементит с обозначением критических точек и областей диаграммы

5.2.Выстроить кривую охлаждения (или нагрева) сплава с заданной концентрацией углерода.

5.3. Оформить отчет

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2. Выполнение задания

6.3. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1. Что такое фаза?

7.2. Что называется структурной составляющей?

7.3. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит?

7.4. Что такое критическая точка?

7.5. Как обозначаются критические точки?

7.6. Как строятся кривые охлаждения?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учебник: 2-е изд., исправл. и доп. / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г, Ф. Косолапое [и др.]; под общ. ред. Б. Н. Арзамасом. М., 1986.

2.Барташевич, А. А. Материаловедение: учеб. пособие / А. А. Барташевич. Ростов н/Д, 2004.

 

Лабораторная работа 4 Определение микроструктуры и механических свойств углеродистой стали до и после термической обработки, ее режимов

Цель работы

Сформировать умение определять режимы закалки и отпуска стали, микроструктуру и твердость углеродистой стали до и после термообработки (закалки и отпуска)

Задание

     Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей

Оснащение работы

Методические указания к лабораторной работе