Диаграмма состояния системы железо-углерод
3.1 Цель работы: изучить диаграмму состояния железо-углерод, освоить методику построения кривых охлаждения сплавов разного состава с использованием правила фаз, ознакомиться со структурами железоуглеродистых сплавов по результатам микроанализа.
3.2 Задание
3.2.1 Используя литературные источники [1] изучить диаграмму состояния железо-углерод.
3.2.2 Вычертить в масштабе диаграмму железо-цементит (рис.3.1).
3.2.3 Провести исследование сплавов с определенным составом, указанном в таблице 3.1:
а) построить кривую охлаждения для заданного сплава (рис.3.2);
б) по правилу фаз определить число степеней свободы системы во всех температурных интервалах кривой охлаждения;
в) зарисовать микроструктуру железо-углеродистых сплавов разного состава (таблица 3.1) и дать ее описание.
3.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
3.2.5 Составить отчет.
3.3 Основные положения
Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, при котором все фазовые превращения закончились в соответствии с диаграммой Fe – Fe3C или Fe - Г. Такое состояние сплава может быть получено при медленном охлаждении и исследуется при комнатной температуре. Структуры их рассматриваются при помощи оптического микроскопа.
 |
Рис.3.1. Диаграмма состояния Fe-Fe3C
В результате взаимодействия железа с углеродом в твердом состоянии образуются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ – феррит, аустенит.
а) феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в решетке объемно-центрированного куба 
( 
- феррит) и 
( 
- феррит).
Максимальная растворимость углерода в феррите 0,025% при температуре 7270С и 0,1% при температуре 14920С. Феррит мягок и пластичен. Твердость феррита 70-80 НВ.
б) аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в решетке гранецентрированного куба. Максимальная растворимость углерода в аустените при температуре 11470С равна 2,14% и минимальная растворимость при 7270С равна 0,8%.
| а | б |
| в | г |
Рис. 3.2. Микроструктура углеродистых сталей в равновесном состоянии (х250):
а – техническое железо < 0,02 %С (феррит)
б – доэвтектоидная сталь с 0,2 %С (феррит + перлит);
в – Доэвтектоидная сталь с 0,4 %С (феррит + перлит);
г – доэвтектоидная сталь с 0,6 %С (феррит + перлит);
ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ – железо с углеродом образуют ряд химических соединений. Практический интерес представляет химическое соединение Fe3C, т.е. карбид железа, который называется цементитом (Ц). Цементит образуется при концентрации углерода, равной 6,67%, имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (800 НВ).
Механические смеси – ледебурит (Л) и перлит (П)
а) Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика), образуется при содержании углерода 4,3% и температуре 11470С. В интервале температур 11470С – 7270С состоит из аустенита и цементита. Ниже 7270С – представляет механическую смесь перлита и цементита.
б) Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид), образуется при охлаждении из аустенита при температуре 7270С и содержании углерода, равном 0,8%.
Свойства железо - углеродистых сплавов определяются их составом, структурой, кристаллическим и зернистым строением. В связи с этим при изучении микроструктур железоуглеродистых сплавов необходимо обратить особое внимание на изменение свойств в зависимости от содержания углерода.
По структуре все железоуглеродистые сплавы можно разделить на три основных класса:
- сплавы с ферритной структурой, которые называются техническим железом. К ним относится железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,025%. В сплавах с содержанием углерода 0,006-0,025% возможно наличие цементита (третичного). Микроструктура технического железа представлена на рис.3.2,а;
- сплавы, которые в качестве основной структурной составляющей содержат перлит, называются сталями. Сталь в свою очередь подразделяется на:
а) доэвтектоидную с содержанием углерода от 0,025 до 0,8%, структура которой состоит из феррита и перлита. На рис.3.2,б,в,г показана структура доэвтектоидной стали 40 (0,40%С), состоящая из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна), имеющих пластинчатое строение;
б) эвтектоидную сталь с содержанием углерода 0,8%, структура которой состоит только из перлита (рис.3.3,а);
в) заэвтектоидную сталь с содержанием углерода от 0,8% до 2,14 %. Структура заэвтектоидной стали представлена на рис.3.3,б и состоит из зерен пластинчатого перлита, окруженных вторичным цементитом, который на микрофотографии виден в виде светлой сетки вокруг перлитных зерен;
- сплавы, содержащие в своей структуре ледебурит (эвтектику), относятся к чугунам. Эти чугуны в соответствии с диаграммой называют белыми. Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде химического соединения Fe3C (цементит). Излом белых чугунов светлый, блестящий и поэтому они получили названием белых.
| а | б |
Рис. 3.3. Микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии (х450):
а – эвтектоидная сталь с 0,8 %С (перлит);
б – заэвтектоидная сталь с 1,2 %С (перлит и сетка цементита)
Белые чугуны подразделяются на:
а) доэвтектические (при содержании углерода от 2,14 до 4,3%), структура которых (рис.3.4,а) состоит из перлита (темные участки), вторичного цементита (светлые участки) и ледебурита, представляющего собой механическую смесь перлита (темные точки) и цементита (светлые часть шлифа);
б) эвтектический чугун содержит 4,3% углерода, структура которого состоит только из ледебурита (рис.3.4,б);
в) заэвтектический чугун содержит углерода от 4,3 до 6,67%.Структура этих чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита (рис.3.4,в).
Таким образом, чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода от 2,14 до 6,67%.
Белые чугуны не применяются для изготовления изделий литьем, а являются передельными чугунами.
В половинчатом чугуне (рис.3.4,г) большая часть углерода находится в виде цементита, а остальная часть углерода – в виде пластинчатого графита.
а | б | |||||||||
  в | г |
Рис. 3.4. Микроструктура белых и половинчатых чугунов (х250):
а – доэвтектический белый чугун с 3,5 %С (перлит, цементит и ледебурит);
б – эвтектический белый чугун с 4,3 %С (ледебурит)
в – заэвтектический белый чугун с 6 %С (ледебурит и первичный цементит)
г – половинчатый чугун (перлит, графит, цементит, ледебурит)
Таблица 3.1
Микроструктура железоуглеродистых сплавов
в равновесном состоянии
| № п/п | Марка сплава | % содержания углерода | Микроструктура | Описание структуры | Число фаз | Число компонентов | Увеличение |
| 1. | Технич. железо | ||||||
| 2. | Ст.20 | ||||||
| 3. | Ст.40 | ||||||
| 4. | Ст.60 | ||||||
| 5. | Ст.У8 | ||||||
| 6. | Ст.У8 | ||||||
| 7. | Ст.У12 | ||||||
| 8. | Доэвтек. белый чугун | ||||||
| 9. | Эвт. белый чугун | ||||||
| 10. | Заэвтек. белый чугун |
3.4 Порядок выполнения работы
3.4.1 Изучить диаграмму состояния Fe - Fe3C и фазовые превращения в сплавах разного состава при нагреве и охлаждении.
3.4.2 Построить кривую охлаждения сплава заданного состава с использованием правила фаз.
3.4.3 Пользуясь оптическим микроскопом МИМ-7 и набором микрошлифов железоуглеродистых сплавов, изучить микроструктуру сплавов разного состава.
3.4.4 Структуру изучаемых сплавов зарисовать в таблице 3.1. и описать ее.
3.4.5 Изучить свойства исследуемых сплавов и область их применения.
3.5 Отчет о работе
3.5.1 Название, цель работы и задание.
3.5.2 Диаграмма состояния Fe – Fe3C (рис.3.1).
3.5.3 Описание исследования кривой охлаждения сплава заданного состава с применением правила фаз.
3.5.4 Таблица 3.1 с исследуемыми микроструктурами сплавов разного состава.
3.5.5 Ответ на индивидуальный вопрос.
3.6 Контрольные вопросы
1. Что такое феррит, аустенит, цементит?
2. Что называется перлитом?
3. Что называется ледебуритом?
4. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции.
5. Укажите однофазные области на диаграмме состояния.
6. Какие Вы знаете железоуглеродистые сплавы?
7. Какова растворимость углерода в аустените?
8. Какова растворимость углерода в феррите?
9. Характерная структурная составляющая для сталей и белых чугунов.
10. В какой форме выделяется цементит первичный, вторичный и третичный?
11. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,02%С.
12. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,4%С.
13. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 0,8%С.
14. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 1,2%С.
15. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 2,5%С.
16. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3%С.
17. Процессы, происходящие при охлаждении сплава с содержанием углерода 5%С.
Лабораторная работа №4
МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ
4.1 Цель работы: ознакомление с чугунами, способами их получения, микроструктурой чугунов, механическими свойствами и областью применения в машиностроении.
4.2 Задание
4.2.1 По литературным источникам [1,2] ознакомиться с основными видами чугунов, особенностями их получения, особенностями микроструктуры и областью применения чугунов разного вида и состава.
4.2.2 При помощи микроскопа МИМ-7 и альбома фотографий микроструктур изучить микроструктуры чугунов, обратив особое внимание на форму графита в различных чугунах.
4.2.3 Зарисовать микроструктуру чугунов в таблице 4.1. и дать ее описание.
4.2.4 Указать в таблице 4.1. механические свойства и марку чугуна, а также увеличение микроструктуры.
4.2.5 Описать схему отжига белого чугуна, объяснить превращения, происходящие на различных стадиях графитизации.
4.2.6 Ответить на индивидуальный вопрос.
4.2.7 Составить отчет
Основные положения
Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С. В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплаве, различают белый, серый, ковкий и высокопрочный (модифицированный) чугун.
По строению металлической основы чугуны разделяют на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные. Строение металлической основы определяется скоростью охлаждения чугуна в диапазоне температур ниже линии PSK (7270С) диаграммы состояния Fe - Fe3C.
Графит в чугунах может быть в четырех основных формах: пластинчатый – в виде лепестков; вермикулярный – в виде червеобразных прожилок; шаровидный и хлопьевидный. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитовых включений приведена на рис. 4.1.
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe3C). Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита они имеют очень большую твердость и хрупкость и для изготовления деталей машин не используются.
 Форма графитных включений | пластинчатая вермикулярная хлопьевидная шаровидная | Рис. 4.1. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитовых включений | |||
| Металлическая основа | Феррит | Феррит + перлит | Перлит | ||
Белый заэвтектический чугун идет в переплавку, а доэвтектический перерабатывается специальной термической обработкой (отжигом) на ковкий.
Серыми называются чугуны, в которых весь углерод или большая часть его находится в свободной равновесной форме в виде пластинчатого графита. В изломе этот чугун имеет темно-серый цвет, поэтому он и получил название серого чугуна. Серые чугуны получаются при сравнительно медленном охлаждении отливки, в процессе которого под влиянием кремния происходит разложение цементита с выделением углерода в свободном состоянии в виде графита. Этот процесс называется графитизацией. В зависимости от степени графитизации серые чугуны приобретают различную структуру металлической основы:
- перлитный серый чугун имеет структуру металлической основы в виде перлита, прорезанную включениями графита;
- ферритно-перлитный серый чугун – основа ферритно-перлитная с включениями графита;
- ферритный серый чугун – основа ферритная с графитовыми включениями.
Свойства чугунов зависят как от свойств металлической основы, так и от количества и вида графитных включений.
Графит обладает по сравнению с металлической основой более низкими механическими свойствами и поэтому графитные включения можно рассматривать как пустоты или трещины. Отсюда следует, что чем больше в чугуне графита, тем он ниже по механическим свойствам; чем грубее включения графита, тем ниже свойства чугуна.
Серый перлитный чугун (рис.4.2.в) получается в случае полной графитизации первичного и вторичного цементита. Структура его состоит из перлита и графита. В таком чугуне около 0,8 % углерода находится в химически связанном состоянии, т.е. цементите (Fe3C), остальной углерод находится в свободном состоянии в виде графита.
| а | б |
 в | |
| Рис.4.2. Микроструктура серых чугунов (х250): а – ферритный – серый чугун (феррит и пластинчатый графит); б – ферритно – перлитный серый чугун (феррит, перлит и пластинчатый графит); в – перлитный серый чугун (перлит и пластинчатый графит). |
Серый ферритно - перлитный чугун получается в том случае, если графитизации подвергается частично и углерода в виде цементита содержится менее 0,8 %. Структура такого чугуна состоит из феррита, перлита и графита (рис.4.2.б).
В случае полной графитизации, когда весь цементит распадается с образованием феррита и графита, структура чугуна будет состоять из феррита и графита. Такой чугун называется серым ферритным чугуном (рис.4.2.а).
Серые чугуны маркируются следующим образом: СЧ18, СЧ24, где буквы показывают серый чугун, а цифры указывают временное сопротивление при растяжении 18, 24 (кг/мм2).
Серые чугуны являются хорошим конструкционным материалом, легко обрабатываются резанием, обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами.
Если в структуре чугуна наблюдается графит, характерный для серого чугуна, и ледебурит, характерный для белого чугуна, то такой чугун является промежуточным между белым и серым, и называется половинчатым.
а | б | ||||||||
| Рис.4.3. Микроструктура ковкого чугуна (х250): а – ферритный чугун (феррит и хлопьевидный графит); б – перлитный чугун (перлит и хлопьевидный графит). |
Ковкие чугуны, так же как и серые, характеризуются наличием графита. Эти чугуны получают путем специальной термической обработки отливок из белого чугуна. В процессе длительного отжига происходит графитизация цементита с выделением округлого графита хлопьевидной формы. Такая форма графитных включений в отличие от пластинок графита в сером чугуне, носящих характер надрезов с острыми краями, являющихся концентраторами напряжений и снижающие прочностные свойства, увеличивает пластичность ковкого чугуна.
Ковкие чугуны имеют металлическую основу как и серые чугуны – перлитную, ферритно-перлитную и ферритную (рис. 4.3.а, б).
Ковкие чугуны маркируются следующим образом: КЧ 35-10, 37-12, где буквы показывают, что это ковкий чугун, первые две цифры указывают временное сопротивление разрыву (кг/мм2), вторые – относительное удлинение (%). Из отливок ковкого чугуна изготавливают детали, работающие при ударных и вибрирующих нагрузках.
Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок щелочных или щелочноземельных металлов (магний, кремний, литий, калий, кальций, натрий и др.), которые называются модификаторами. Чаще для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%.
Модификаторы воздействуют на протекание процессов кристаллизации, изменяя параметр скорости роста и форму кристаллов. Вследствие этого графитные включения измельчаются и приобретают шаровидную форму.
Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т.д.
Маркируются высокопрочный чугун буквами ВЧ, затем следует цифры. Первые цифры показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении (МПа), вторые – относительное удлинение (%).
Чугуны ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-3 имеют перлитную металлическую основу, чугун ВЧ 45-5 ферритно-перлитную, чугуны ВЧ 40-10, ВЧ 38-17, ВЧ 42-12 – ферритную (рис.4.4.а, б, в).
Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях промышленности: в автостроении для изготовления коленчатых валов автомобильных двигателей, крышек цилиндров и др.; в станкостроении для изготовления деталей станков кузнечно-прессового оборудования; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т.д.
Чугуны с вермикулярным графитом появились сравнительно недавно, по своим свойствам занимают промежуточное положение между группами с шаровидным и пластичным графитом. Вермикулярный графит получается при уменьшении количества модификатора, имеет хорошие литейные свойства.
Кроме рассмотренных выше чугунов в промышленности используются: антифрикционные чугуны, жаропрочные, жаростойкие и коррозионностойкие легированные чугуны.
а | б | |||||||||
 в | ||||||||||
| Рис. 4.4. Микроструктура модифицированных чугунов (х250): а – ферритный (феррит и шаровидный графит); б – ферритно – перлитный (феррит, перлит и шаровидный графит); в – высопрочный (перлит, феррит и графит шаровидной формы). |
4.4 Порядок выполнения работы
4.4.1 Для исследования микроструктуры чугунов студенты получают коллекцию чугунов, таблицу 4.1. с указанием марки чугуна, альбом микрофотографий структур изучаемых чугунов. Номера, указанные в таблице 4.1. и под фотографиями в альбоме, соответствуют номерам образцов в коллекции шлифов.
4.4.2 Студенты обязаны просмотреть при помощи микроскопа все шлифы, указанные в таблице 4.1. После изучения структуры каждого шлифа студент должен зарисовать рассматриваемую микроструктуру чугуна, при этом необходимо указать наименование структурных составляющих стрелками, указав увеличение свойства и марку чугунов.
4.4.3 Описать схему отжига белого чугуна, объяснив при этом превращения, происходящие на различных стадиях графитизации.
4.5 Отчет о работе
4.5.1 Название, цель работы и задание.
4.5.2 Таблица 4.1. со структурой изучаемых чугунов.
4.5.3 Схема отжига белого чугуна с объяснением превращения, происходящего при графитизации.
4.5.4 Ответ на индивидуальный вопрос.
Таблица 4.1
Микроструктура чугунов
| № п/п | Наименование чугуна | Термооб-работка | микроструктура | Механические свойства | |
| рисунок | описание | ||||
| Серый чугун | |||||
| Серый чугун |
Продолжение табл. 4.1
| Серый перлитный чугун | |||||
| Серый Ферритно-перлитный чугун | |||||
| Серый ферритный чугун | |||||
| Половинчатый чугун | |||||
| Ковкий ферритный чугун | |||||
| Модифицированный чугун |
3.6 Контрольные вопросы
1. Какие формы графита существуют в чугунах?
2. Как влияет графит на механические свойства чугуна?
3. Для каких деталей рекомендуется серый чугун?
4. Какой чугун рекомендуется для изготовления поршневых колец?
5. Какой чугун рекомендуется для изготовления подшипника скольжения, работающего в паре с упрочненным валом?
6. Какую металлическую основу имеют чугуны?
7. Для каких деталей рекомендуется использовать ковкий чугун?
8. Как получается в чугуне шаровидный графит?
9. Почему чугуны с шаровидным графитом называются высокопрочными?
10. Какие свойства чугунов зависят от металлической основы?
11. Где используют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом?
12. Какие чугуны называются половинчатыми?
13. Специальные виды чугунов.
14. Как получают ковкий чугун?
15. От чего зависит металлическая основа чугуна?
Лабораторная работа № 5