Лабораторная работа №3 на тему: "Диаграмма Fe-C и структура железоуглеродистых сплавов"

Лабораторная работа № 1

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СОЛЕЙ

Цель работы

Исследовать процесс кристаллизации методами моделирования на примере изучения влияния условий кристаллизации на характер и форму роста кристаллов.

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии энтропии, плотности и других физических свойств. При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией. Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование же новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации слагается из двух одновременно идущих процессов: зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а, следовательно кристаллизация и плавление, обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Таким образом, чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше. С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний.

Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояния в зависимости от температуры

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рис. 1.7, видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки T_s. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации. Разница между равновесной (T_s) и реальной (Т_п) температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения (DТ).

В жидком состоянии атомные остовы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются сравнительно устойчивые группировки атомов небольшого объема. Эти группировки неустойчивы, рассасываются и вновь появляются в разных местах жидкости. В пределах группировки расположение атомных остовов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомных остовов называются центрами кристаллизации (зародышами).

Центр кристаллизации, обрастая новыми слоями атомов, становится крупнее. Кристаллы растут свободно до тех пор, пока со всех сторон их окружает жидкость. Форма таких растущих кристаллов геометрически правильна и соответствует их кристаллическому строению.

При взаимном столкновении граней кристаллов их правильная форма нарушается и становится в момент окончания процесса кристаллизации неправильной.

Зародыши, возникающие в жидкой фазе, имеют трехмерные размеры и называются трехмерными. Рост зародыша происходит не путем присоединения к нему отдельных атомов, а путем наслоения на растущую грань атомной плоскости, толщиной не меньше критического зародыша.

Таким образом, кристаллизация состоит из двух процессов. Первый из них заключается в зарождении мельчайших кристаллических частиц, называемых зародышами или центрами кристаллизации, второй – в росте кристаллов из этих центров.

Скорость зарождения центров кристаллизации выражается числом зародышей, образующихся в единице объема жидкости за единицу времени. Оно обозначается (ч.ц.) – число центров.

Скорость роста кристаллов или скорость кристаллизации выражается линейной скоростью движения кристаллов в направлении перпендикулярном к ней. Эта скорость обозначается (с.к.) – скорость кристаллизации или (с.р.) – скорость роста кристаллов, она измеряется единицами длины в единицу времени.

С увеличением DТ возрастает число центров кристаллизации и увеличивается скорость их роста; при определенной степени переохлаждения наступает максимум. Однако металлы и сплавы отличаются в жидком состоянии сравнительно малой способностью к переохлаждению, т.е. их невозможно переохладить до таких температур, при которых ч. ц. достигали бы максимума. Поэтому для металлов кривые обрываются уже при малых степенях переохлаждения (сплошные линии).

Рис 2. Влияние степени переохлаждения на число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллизации (с.р.)

При малой степени переохлаждения, когда скорость образования центров кристаллизации мала, а скорость их роста велика, размеры кристаллов велики; при больших степенях переохлаждения скорость зарождения новых центров велика, а скорость роста мала: кристаллы получаются более мелкими.

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллы (зерна) различной величины. От величины зерен зависят многие свойства металлов. Более желательно мелкозернистое строение.

Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона 1 (рис. 1.11) мелких кристаллов – это результат влияния холодной металлической формы, которая обеспечивает в первые моменты затвердевания слитка большую скорость охлаждения металла. Затем растут большие кристаллы (зона 2),вытянутые по направлению отвода теплоты. Их называют столбчатыми кристаллами. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3).

Рис. 3. Схема строения слитка спокойной стали: 1 – слой мелкоглобулярных кристаллов; 2 – область столбчатых кристаллов; 3 – равноосные дендриты; 4 – шлам; 5 – шлак

При известных условиях (перегретый жидкий металл, малое содержание примесей и др.) зона крупных равновесных кристаллов полностью исчезает. Структура слитка состоит практически из одних столбчатых кристаллов и называется транскристаллической. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются при обработке давлением. Транскристаллизация часто наблюдается в сварных швах, уменьшая их прочность.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных пор. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают. Слиток имеет неоднородный состав. Например, в стали по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

Практическая часть

Вариант № 1

№ измерения	Время t, мин	Хш, мм	Х0, мм
		4,2	0,075
		7,28	0,13
		10,64	0,19
		13,44	0,24
		14,84	0,265
		16, 24	0,29
		17,36	0,31
		17,92	0,32
		18,26	0,326
		18,48	0,33
		18,48	0,33
		18,48	0,33

Х₀ = V_кр= Mt =

Расчет скорости кристаллизации в точках:

V₁=

V₂=

V₃=

Ответы на контрольные вопросы:

1)Важные характеристики кристаллической структуры –

2) Все вещества могут находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразным и плазменном. Переход вещества из одного состояния в другое обуславливается тем, что на различных уровнях температуры свободная энергия вещества различная, вещество стремится к наименьшему запасу свободной энергии.

3)Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

4)

5) Скорость процесса кристаллизации зависит от скорости зарож­дения центров кристаллизации (ч.ц) и скорости роста кристаллов из этих центров (с.к.). Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов определяются степенью переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения с.к. и ч.ц. возрас­тают, достигают максимума при определенной степени переохлаждения, после чего снижаются

6) Чем больше скорость образования зародышей (ч.з.) и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшие из зародыша, структура металла будет мелкозернистой.

7) Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно (гетерогенное образование зародышей). Наличие примесей приводят и уменьшают размер , работы его образования, затвердевание жидкости начинается при меньшем ΔТ, чем при самопроизвольном зарождении.

8) Условиями теплоотвода. Если гладкая (первичная) ось дендрита, ориентированная вдоль направления отвода тепла (ось первого порядка), намного длиннее осей, перпендикулярных к ней (оси второго порядка), то дендрит называется столбчатым.

9) Форма зерен, образующихся при кристаллизации, зависит от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от примесей.

10) Первичная структура оказывает непосредственное влияние на многие процессы, определяющие формирование второй структуры и соответственно на свойства стали. Изменение размеров первичных кристаллов и межветвенных расстояний влияют на формирование конечной структуры и свойств изделия.

11) Скорость процесса зависит от степени перенасыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивание, содержание примесей и др.

12) Ионные, ковалентный, металлические, молекулярные.

Задачи:

1. Если скорость охлаждения мала, то число возникающих и растущих зародышей невелико и в конце кристаллизации формируются структуры из крупных зерен.

2. При малой степени переохлаждения, когда скорость образования центров кристаллических центров мала, а скорость их роста велика, размеры кристаллов велики.

3) Модифици́рование металлов - это введение в расплавленные металлические сплавы в очень малых количествах (обычно в долях процента) модификаторов - веществ, почти не меняющих хим. состава самого сплава, но способствующих повышению его механических свойств; в качестве модификаторов примен. магний, ферросилиций, титан, соли натрия и калия и др.

Вывод

При малой степени переохлаждении образуются крупные кристаллы, при большей - образуется мелкие кристаллы.

Кристаллизация капли раствора начинается с краев капли, при этом образуются мелкозернистые дендриты, что обусловлено интенсивностью теплоотвода по краям раствора соли, нежели в его сердцевине.

Согласно полученным расчетным и графическим результатам с течением времени скорость движения фронта кристаллизации снижается, что связано с уменьшением концентрации соли.

Лабораторная работа №2 на тему: "Металлографический метод исследования"

Ответы:

1) Макроанализом (макроскопическим анализом) называется изучение структуры металла или сплава невооруженным глазом или с помощью лупы при небольшом увеличении (до 30 раз).

Микроанализ - изучение строения и пороков металла с помощью микроскопа,т.е. при больших увеличениях .
Исследованию подвергают специально приготовленные микрошлифы.
2) С помощью макроанализа можно определить:

a) Нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, газовые пузыри и раковины, пустоты, образовавшиеся в литом металле, трещины, возникшие при горячей механической или термической обработке, флокены, дефекты сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот);

b) Дендритное строение и зону транскристаллизации в литом металле;

c) Химическую неоднородность сплава (ликвацию);

d) Неоднородность строения сплава, вызванную обработкой давлением: полосчатость, а также линии скольжения (сдвигов) в наклепанном металле;

5. Неоднородность, созданную термической или химико-термической обработкой.

3) Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Увеличение оптического микроскопа без дополнительных линз между объективом и окуляром равно произведению их увеличений.

4) Микроанализ позволяет определить форму и размер кристаллических зерен в металле, выявлять микропороки неметаллические включения, определять химический состав некоторых структурных составляющих по их характерной форме и т.д.

5) Таким образом, микроскопический анализ состоит: из приготовления микрошлифа и исследования микрошлифа с помощью металлографического микроскопа.

Приготовление микрошлифов

Вырезка. Вырезка образца из детали обычно производится механическим способом в необходимом для исследования месте, не допуская разогрева и пластической деформации, которые могут из­менить структуру металла.

Шлифование. Исследуемая плоскость образца шлифуется сначала на шлифовальном круге, затем шлифовальной бумагой раз­ных номеров с последовательно уменьшающимися размером абра­зивных зерен вручную или на вращающихся плоских дисках. При переходе на более мелкозернистую бумагу шлиф каждый раз пово­рачивают 90° вокруг оси и шлифуют до исчезновения поперечных рисок. От остатков абразива шлиф очищают промывкой водой.

Полировка. До зеркального блеска шлиф полируется на бархате или сукне, на которые наносят окись хрома или алюминия, поддерживая достаточную влажность. После полировки шлиф про­мывают в воде, а затем в этиловом спирте, чтобы предупредить окисление поверхности. Более совершенным методом является элек­тролитическое полирование. Под действием электрического тока вы­ступы на шлифуемой поверхности растворяются, и она постепенно становится зеркальной.

Травление. Травление шлифов производится для выявления структуры, т.к. На нетравленом шлифе видны только поры, трещи­ны и неметаллические включения.

Для травления стали и чугуна наиболее часто применяется 3…5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Продолжи­тельность травления 10...20 с. Затем шлиф тщательно промывается спиртом и сушится фильтровальной бумагой.

При травлении границы зерен и сами зерна, имеющие различ­ную кристаллографическую ориентировку или фазовый состав, рас­творяются под действием реактива неодинаково.

Сильнее протравившиеся зерна имеют шероховатую поверх­ность и при отражении в большей степени рассеивают световые лу­чи. Поэтому под микроскопом одни зерна выглядят более темными, другие - более светлыми. Границы зерен обладают повышенной энергией, так как являются дефектами кристалла с неправильной упаковкой атомов, растравливаются сильнее самих зерен, и поэтому под микроскопом кажутся темными линиями.

После травления поверхность шлифа имеет сложный микро­рельеф, который характеризует строение металла.

6) К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение; a–железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в a-железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность: НВ 80; s_B=250 МПа (25 кгс/мм²) и высокую пластичность (Q=50 %). g-железо растворяет значительно большее количество углерода – до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в g-железе называется аустенитом.В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160–200, Q=40¸50 %. Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите содержится 6,67 % С; он имеет высокую твердость (~НВ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность.

7) Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3% – доэвтектическими и более 4,3% углерода – заэвтектическими.

8)Для перлитного зерна обычно применяется 3-5% раствор азотной кислоты, в спирте растравливают только границы между ними.

9) В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

,

где F_n – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %;
0,8 – % С в перлите.

Решение задач:

№1

1) Холодный излом;

2) Причина разрушения - нагрузка.

1)Усталый излом;

2)Большая нагрузка и долгая эксплуатация.

№2

1)Причины: примесь будет влиять на зернистость. Перегрев.

№3

1) Сера, фосфор.

2) Попадают в металл при производстве.

3)Ухудшают металлические свойства.

4) Раскислить неметаллические включения.

№4

1) а)плачтинчатая; б) зернистая.

2) а) высокая скорость охлаждения, штамповка; б)термическая обработка.

3) Выявляется микроскопом, микро- имакроанализ.

№5

1) Шовная зона мелкозернистая, около шовная зона крупнозернистая.

2) Крупнозернистая структура получается за счет не соблюдения местоотвода.

№6

1)Пористость образуется за счет попадания кислорода или различных газов.

2) Способы предупреждения образования пористости: Не заливать в земляную форму.

№7

1. Макроструктура стального слитка.

1) Слой мелкообразных кристаллов.

2) Область столбчатых кристаллов.

3) Равные дендриты.

2. Зонная ликвация.

Количество примесей увеличивается в направлении от поверхности слитка, к тому месту в прибыльной его части, первичный металл дольше всего остается в жидком состоянии, здесь образована зона наиболее богатая примесями.

Вывод: В результате макроанализа образцов были выявлены поверхностные дефекты, а также определены виды изломов анализируемых образцов. Посредством микроанализа на микроскопе МИМ-8 были исследованы структуры образцов. Исследования показали, что металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение, различные по размерам и формам зерна и их ориентация, а также границы зерен и дефекты в виде трещин, царапин, пустот, пор, рыхлот.

Нами получены умения определять (ориентируясь на снимки, схемы и рисунки) фазовый состав, примерное содержание углерода, а также вид сплава (сталь или чугун). В чугунах были выявлены включения графита (червеобразные, шаровидные, хлопьевидные), что составляет их отличительную особенность от структуры сталей и положено в основу классификации.

Лабораторная работа №3 на тему: "Диаграмма Fe-C и структура железоуглеродистых сплавов".

Ответы на контрольные вопросы:

1) Состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды

2)Макро- и микроструктура.

3) Зерна: Феррита, перлита, цементита, аустенита.

4) Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства.

5) На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С.

6) Легированныминазывают стали, в которых, кроме железа, углерода, случайных примесей и технологических добавок, содержатся легирующие элементы для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден и др.

Легированные стали делят на низколегированныес общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %,среднелегированные– 2,5 – 10,0 % и высоколегированные – более 10 %.

7) Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов;
1. перлитный;
2. мартенситный;
3. аустенитный;
4. ферритный;
5. карбидный,

8) Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов (менее 5...7%). Для них, как и для углеродистых сталей, кривая скорости охлаждения при нормализации будет пересекать С-кривые перлитного распада. Следовательно, будут получаться структуры перлитного типа: перлит, сорбит, тростит.

9) Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7... 15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу. Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 055 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

10) Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость. При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру.
Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5% кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур.
К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродастые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении на в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

Вывод: Диаграмма состояния сплавов Fe-C это графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом. Кривая охлаждения показывает характер зависимости фазового состава и структуры в зависимости от концентрации и температуры. Тем самым диаграмма состояния Fe-C показывает изменение фазового состава (структуры) сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры. Также диаграмма состояния определяет температуру нагрева сплавов при термической обработке.