Лабораторная работа №6. МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА
МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры чугуна с использованием диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней.
1. OCHOBHЫE ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.
Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.2). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727ОС превращается в перлит.
Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-цементит
В доэвтектическом чугуне (см. рис.1., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.3). В заэвтектическом чугуне (см. рис.1, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.4). При этом на уровне температур 1147ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.
 | 010-С | С-С¢ |
 |  | |
| С¢-110 | 110-1¢10 | |
 |  | |
| 1¢10-210 | ||
 | ||
| Рис.2. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10 |
Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147ОС и 727ОС (см. рис.2-4).
 | 011-111 | 111-211 |
 |  | |
| 211-2¢11 | 2¢11-311 | |
 |  | |
| 311-3¢11 | 3¢11-411 | |
 |  | |
| Рис.3 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11 |
Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.
Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.
Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 311 содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 311К/РК, а цементита - Р311/РК.
 | 012-112 | 112-212 |
 |  | |
| 212-2¢12 | 2¢12-312 | |
 |  | |
| 312-3¢12 | 3¢12-412 | |
 |  | |
| Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12 |
3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
- Уясните цель работы.
- Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.
- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.
Для этого:
- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;
- постройте кривую охлаждения;
- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;
- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава,
приведите уравнения фазовых реакций;
- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;
- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.
- Составьте отчет о работе.
Исходные данные для анализа процесса кристаллизации
железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях
| Номер варианта | Содержание углерода, в сплаве, % | Температура t, ОС |
| 0,1 | ||
| 0,3 | ||
| 0,4 | ||
| 0,5 | ||
| 0,8 | ||
| 1,0 | ||
| 1,5 | ||
| 2,0 | ||
| 2,5 | ||
| 3,0 | ||
| 3,5 | ||
| 4,3 | ||
| 5,0 | ||
| 5,5 | ||
| 6,0 |
Примечания: 1. Номер варианта выбирается по номеру в списке подгруппы.
2. Характерные точки сплава на диаграмме и на кривой охлаждения целесообразно указывать как 01, 11, 21, где 0, 1, 2 и т.д. - номер точки, а подстрочная единица - номер исследуемого сплава.
4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
- Цель работы.
- Основные теоретические представления о диаграмме состояния системы железо-углерод.
- Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- Почему диаграмма состояния железо-цементит является метастабильной системой?
- Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, перлитом, ледебуритом?
- Укажите на диаграмме линию ликвидус, линию солидус, линии нонвариантных реакций.
- Какую кристаллическую решетку имеет a-железо, g-железо?
- Изобразите геометрические образы нонвариантных перитектической, эвтектической, эвтектоидной реакций.
- Опишите с помощью уравнений нонвариантные реакции.
- Укажите фазовое состояние в различных областях диаграммы.
- Укажите структурное состояние при нормальной температуре доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали и доэвтектического, эвтектического, заэвтектического чугуна.
- В чем заключается отличие цементита первичного от вторичного и третичного?
- Определите количественное соотношение феррита и цементита в перлите и ледебурите.
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
4. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 544С., С.142-160.
5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 360 С., С.116-128.
6. Металловедение и термическая обработка стали. В 3-х т. Т.2. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- М.: Металлургия, 1983.- 368 С., С.67-83.