Компоненты сплавов железа с углеродом (сталей, чугунов)

Методические указания к

Лабораторной работе № 14

 

 

Термическая обработка углеродистых сталей

 

по дисциплине

 

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Направление подготовки:

Специальность:

Форма обучения очная

 

Тула 2017 г.

 

 

Методические указания к лабораторным работам составлены ассистентом Е.А. Страховой и обсуждены на заседании кафедры СЛиТКМполитехнического института

Протокол № 1  от «29» августа 2016 г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

 

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМполитехнического института,

протокол №___ от «» ____________________________ 20___ г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

 

Изучить технологию термической обработки стали (закалка, отпуск, нормализация, отжиг) и познакомиться с закономерностями изменения твердости образцов стали в исходном состоянии и после термообработки.Приобрестинавыки использованиядиаграммы состояния железо-углерод при выборе вида термической обработки.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности и в определенном режиме с целью изменения внутреннего строения и свойств сплавов.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов основана на использовании фазовых превращений в результате перехода, разной растворимости углерода в α и γ фазах железа, а также изменения растворимости углерода в фазах железа при повышении или понижении температуры.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в сплавах, называют критическими точками и обозначают буквой А (arret - остановка, фр.). Каждый сплав имеет свои точки фазовых превращений, которые образуют линии на диаграмме (рис. 1).

Диаграмма состояния системы железо - углерод имеет большое практическое значение и является основой для изучения процессов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют виды термической обработки, температурные интервалы превращений, совершающихся при нагреве и охлаждении, и т.д.Кроме того, диаграмма может быть использована для предсказания микроструктуры при любой заданной температуре.

Процесс кристаллизации зависит от того, какие фазы образуются из жидкого раствора сплава.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твердые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые элементы, химические соединения, твердые и жидкие растворы и пары. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы состояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, которое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое количество фаз может одновременно существовать.

Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не только при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

Компоненты сплавов железа с углеродом (сталей, чугунов)

Железо (Fe) — блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7870 кг/м³, температура плавления 1539°С, температура кипения 2880 °С, модуль упругости 210 ГПа. Механические свойства железа зависят от его чистоты.Временное сопротивление при растяжении технически чистого железа составляет300-400 МПа, предел текучести — 100-250 МПа, относительное удлинение приразрыве — 30-50 %, твердость по Бринеллю НВ 60-90.

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Атомный номер 6, плотность 2600 кг/м³, температура плавления 4000°С, температура кипения 4200°С. Он имеет две кристаллическиемодификации — графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит: онимеет гексагональную решетку, представляет собой свободный углерод, он мягок,обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов. Алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную)решетку.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистыесплавы могут иметь структурные составляющие (фазы): феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железаFe₃C), содержит 6,67%С, температура плавления принимается равной 1600°С. Цементит сохраняет магнитные свойства до 210 °С, характеризуется высокой твердостью (>НВ800) и очень низкойпластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условийобразования различают цементит первичный, который образуется из жидкости призатвердевании расплава, вторичный — образуется в твердой фазе при распаде аустенита и третичный — образуется при выделении углерода из феррита.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальное содержание углерода составляет 0,02% при 727°С. Феррит магнитен, на диаграмме состояния Fe-С занимает область GPQ (рис. 1). Феррит характеризуется низкой прочностью (σ_в=250МПа, σ_0,2 =120 МПа) и твердостью (НВ 80-100) и высокой пластичностью (δ=50%).

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Максимальное содержание углерода2,14% при температуре 1147°С. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния занимает область AESG. Он имеет твердость НВ 160 при δ=40-50 %.

Перлит (П) — механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода; образуется при 727°С в результате распада аустенита впроцессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Этоопределяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность σ_в=800 МПа, пластичность δ=15 %, НВ 160...200.

Ледебурит (Л) — механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита,образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% углерода.Твердость НВ 600...700, хрупок. Так как при температуре ниже эвтектоидной (ниже727°С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой E'K, состоит из цементита и перлита.

Помимо упомянутых составляющих в железоуглеродистых сплавах могутбыть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и др.), которые с железом образуют различные фазы.