Материал: Материаловедение и технология материалов . лабораторный практикум. Орлов А.С., Рубцова Е.Г
Температура плавления железа - 1539 С. Железо известно в двух полиморфных модификациях - и . -железо существует при температурах ниже 910 С и выше 1392 С. Для интервала температур 1392-1539 С -железо нередко обозначают как -железо.
Кристаллическая решетка -железа – объемно-центрированная кубическая. До температуры 768 С -железо ферромагнитно. Критическую точку (768 С), соответствующую переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А2.
Кристаллическая решетка -железа – гранецентрированная кубическая. С металлами железо может образовывать твердые растворы замещения и химические соединения (интерметаллиды), а с углеродом, азотом и водородом - твердые растворы внедрения (атомы примеси располагаются в порах кристаллическойрешеткижелеза) ихимическиесоединения: карбиды, нитриды, гидриды.
Углерод – неметаллический элемент с плотностью 2,25 г/см3 и температурой плавления 3500 С. В сплавах с железом углерод обычно бывает в форме графита с гексагональной слоистой атомной решеткой. Прочность графита низка. Железо с углеродомобразуютрядсоединений, наиболеечастовстречаетсяцементит.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe3C – карбид железа, с содержанием углерода 6,67 % и сложной кристаллической решеткой. Сложная кристаллическая структура обусловливает высокую твердость цементита (> 800 НВ) и почти нулевую пластичность. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1260 С. Цементит неустойчив, и с повышением температуры может распадаться на железо и графит.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02 % при температуре Т = 727 С и 0,006 % при комнатной температуре и высокотемпературный -феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре Т = 1499 С. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе – 2,14 % при Т = 1147 С. Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла.
Различные объемы пустот в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в -железе по сравнению с -железом.
Ледебурит – эвтектическая механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита, образуется из жидкого расплава с концентрацией углерода 4,3 % (точка С) при температуре 1147 С.
В системе железо-цементит леде-6бурит (эвтектика) образуется из
кости во всех сплавах, содержащих не менее 2,14 % С. Ледебурит образуется по эвтектической реакции:
1147
ЖС 4,3 |
[АЕ 2,14 + ЦF 6,67]Л. |
Перлит – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, образуется из аустенита с концентрацией углерода 0,8 % (точка S) при температуре 727 С. Перлит образуется во всех сплавах, содержащих более 0,02 % С.
Перлит образуется по эвтектоидной реакции:
727 С
АS 0,8 |
[ФР 0,02 + ЦК 6,67]П. |
При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при комнатной температуре ледебурит представляет смесь цементита и перлита.
Формы существования цементита:
Третичный цементит выделяется из феррита при концентрации углерода больше 0,006 % по линии PQ. Растворимость углерода в феррите с понижением
температуры от 0,02 % при 727 С до 0,006 % при 20 С уменьшается, выделяющийся из феррита избыточный углерод образует третичный цементит. Форма: пластинки и прожилки, а также выделения в виде иголок в ферритном зерне.
Цементит перлита. Образуется при концентрации углерода больше 0,02 %. Обычно - тонкопластинчатый продукт перлитного превращения.
Вторичный цементит образуется из аустенита по линии SE. Линия SE показывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14 % при 1147 С до 0,8 % при 727 С. С понижением температуры от 1147 С до 727 С из аустенита выделяется избыточный углерод, образуя вторичный цементит. Форма: цементитная сетка по границам зерен.
Цементитледебурита. Образуетсяприконцентрацииуглеродабольше2,14 % С. Создает светлый фон в плоскости шлифа.
Первичный цементит образуется при кристаллизации в сплавах с концентрацией углерода больше 4,3 %. Форма: длинные крупные пластины.
Характеристика структурных составляющих сплавов системы железоцементит представлена в табл. 1.1.
7
8
Таблица 1.1
Характеристика и схематическое изображение структурных составляющих сплавов системы железо-цементит
Сплавы системы |
Схематическое изображение |
Описание структурных особенностей |
Содержание |
Механические |
железо-цементит |
углерода, % |
свойства |
||
|
|
|
|
составляющих |
|
|
Однородные светлые зерна феррита, |
|
Феррит: |
Техническое |
|
отделенные друг от друга границами, |
0 – 0,02 |
80-100 НВ |
железо |
|
на которых может выделяться цемен- |
в 250 МПа |
|
|
|
тит третичный. Ф + ЦIII |
|
50 %; |
|
|
|
|
85 % |
Доэвтектоидная |
|
Светлые зерна феррита и темные зер- |
|
100 – 160 НВ |
|
|
в зависимости |
||
сталь |
|
на перлита. Ф + П |
0,02 – 0,8 |
от содержания |
|
|
|
|
углерода |
|
|
|
|
|
|
|
Твердые, малотравящиеся пластины |
|
|
Эвтектоидная |
|
цементита, светлые и блестящие, вы- |
|
Перлит: |
сталь |
|
ступают над ферритом. Утопающий |
|
200-250 НВ |
|
|
между ними мягкий феррит затенен; из- |
0,8 |
для стали У8 |
|
|
за повышенной травимости тусклый и |
|
|
|
|
темный. Перлит . П. |
|
|
|
|
Светлая сетка цементита вторичного |
|
Цементит |
Заэвтектоидная |
|
по границам темных перлитных зерен. |
|
800 НВ |
сталь |
|
П + ЦII |
0,8 – 2,14 |
Перлит |
|
|
|
|
200-250 НВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 1.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сплавы системы |
Схематическое изображение |
Описание структурных особенностей |
Содержание |
Механические |
|
железо-цементит |
|
|
углерода, % |
свойства |
|
|
|
Светлые зерна однофазной структу- |
|
|
|
|
|
ры аустенита с часто встречающими- |
|
Аустенит |
|
Аустенитная |
|
ся двойниками. При комнатной тем- |
0 – 2,14 |
170-200 НВ |
|
сталь |
|
пературе может встречаться только в |
|
|
|
|
|
легированных сталях. А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Крупные кристаллы аустенита пер- |
|
|
|
|
|
вичного и ледебуритная эвтектика. |
|
Перлит |
|
Доэвтектический |
|
Форма кристаллов аустенита опре- |
2,14 – 4,3 |
200-250 НВ |
|
белый чугун |
|
деляется условиями кристаллизации, |
|
Ледебурит |
9 |
|
|
а сам аустенит превратился в перлит. |
|
700 НВ |
|
|
|
П + Л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На светлом фоне цементита (грани- |
|
|
|
|
|
цы его зерен не протравливаются) |
|
Ледебурит |
|
Эвтектический |
|
мелкие дендриты аустенита и сече- |
4,3 |
700 НВ |
|
белый чугун |
|
ния его ветвей плоскостью шлифа. |
|
|
|
|
|
Аустенит превратился в перлит. |
|
|
|
|
|
Перлитные зерна темного цвета. Л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Грубые иглы цементита первичного |
|
Цементит |
|
|
|
4,3 – 6,67 |
800 НВ |
|
|
Заэвтектический |
|
и светлый фон ледебурита в заэвтек- |
Перлит |
|
|
белый чугун |
|
тическом белом чугуне. |
|
200-250 НВ |
|
|
|
Л + ЦI |
|
Ледебурит |
|
|
|
|
|
700 НВ |
9
По содержанию углерода при комнатной температуре все железоугле-
родистые сплавы подразделяются на следующие:
технически чистое железо (содержание углерода от 0 до 0,006 %) –
структура феррит;
техническое железо (содержание углерода от 0,006 % до 0,02 %) -
структура феррит и цементит третичный;
доэвтектоидные стали (содержание С от 0,02 до 0,8%) – структура фер-
рит и перлит;
эвтектоидные стали (содержание С = 0,8 %) – структура перлит;
заэвтектоидные стали (содержание С от 0,8 до 2,14 %) – структура пер-
лит и цементит вторичный;
доэвтектические белые чугуны (содержание С от 2,14 до 4,3 %) –
структура перлит, ледебурит и цементит вторичный;
эвтектические белые чугуны ( содержание С = 4,3 %) – структура – ле-
дебурит;
заэвтектические белые чугуны (содержание С от 4,3 до 6,67 %) – струк-
тура ледебурит и цементит первичный.
1.4.Порядок выполнения работы
1.Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуры углеродистых сталей и белых чугунов с различным содержанием углерода.
2.На каждом из рисунков указать фазовые и структурные составляющие, дать их краткую характеристику.
3.Вычертить диаграмму «железо-цементит» (см. рис. 1.1) с указанием всех фазовых и структурных областей. Отметить на ней вертикалями положение рассматриваемых сплавов с разным содержанием углерода. Для одного из сплавов описать превращения при охлаждении (нагреве) по заданию преподавателя. Указать характер протекающих превращений.
1.5.Содержание отчета
1.Название, цель работы.
2.Дать определение компонентов, фаз и структур системы железоцементит: железо, феррит, аустенит, цементит, ледебурит (эвтектика), перлит (эвтектоид).
3.Привести классификацию железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода.
4.Записать и объяснить реакции образования фаз и структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах согласно их диаграмме.
10