В равновесном состоянии

Структура углеродистой стали состоит из феррита и цементита. Согласно правилу Курнакова, изменение свойств сплавов смесей, в зависимости от их состава имеет линейный характер. Следовательно, твердость углеродистой стали будет линейно возрастать в зависи­мости от увеличения содержания углерода.

Структура углеродистых сталей в равновесном состоя­нии (медленно охлажденных) зависит от их состава (содер­жания углерода), а свойства – от их структуры. В цепь причинно-следственной связи входит еще одно звено – техно­логический процесс, с помощью которого при одинаковом составе сплава можно получать различные структуры, а следовательно разные свойства. Таким образом, полная цепь исследуемых в металловедении зависимостей описывается схемой: «состав – технологический процесс – структура – свойства».

При изменении твердости доэвтектоидных сталей наблю­дается прямолинейное изменение ее от твердости феррита к твердости перлита пропорционально их соотноше­нию в структуре. Для доэвтектоидных и эвтектоидной сталей по величине твер­дости можно примерно определить предел прочности σ_в ≈ 0,35НВÎ10. Для заэвтектоидных сталей эта зависимость несправедлива; твердость сталей повышается, а предел прочности снижается из-за охрупчивающего действия сетки цемен­тита вторичного, расположенной по границам перлитных зерен.

Задание 1.Исследовать микроструктуры сталей пяти составов, зарисовать их схемы, описать и присвоить этим сталям марки в соответствии с ГОСТами.

Задание 2. Измерить твердость сталей с различным содержанием углерода, рассчитать пределы прочности, результаты занести в табл. 4.1. Построить графики зависимости твердости и прочности от содержания углерода, сформулировать выводы.

Таблица 4.1

Химический состав и механические свойства углеродистых сталей

Номер образца	Марка стали	Содержание углерода, %	Твердость	Предел прочности σв, МПа
HRB	HB
					–

Задание 3.Вычертить диаграмму Fe-Fe₃C и построить кривую охлаждения для сплава с заданной концентрацией углерода.

План составления отчета

1. Вычертить в масштабе диаграмму состояния Fe — Fe₃С, используя правила фаз и отрезков, построить кривую охлаждения для сплава заданной концентрации, описать процессы структурообразования.

2. В промежуточной точке между линиями ликвидус и солидус определить количество сплава в жидком и твердом состоянии.

3. Зарисовать схемы микроструктур сталей различного состава, указав содержание структурных составляющих, и определить марку стали.

4. По результатам измерения твердости образцов сталей с различным содержанием углерода и рассчитанной прочности построить графики соответствующих зависимостей.

5. Сделать вывод, показав связь между химическим составом стали, ее структурой и свойствами.

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ЧУГУНОВ

Цель работы: изучить структуры белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов, их маркировку; способы получения ковких чугунов, влияние различных факторов на формирование структуры серых чугунов и формы графитовых включений.

План работы

1. Начертить диаграмму состояния системы железо - цементит, пунктиром нанести линии диаграммы системы железо - графит.

2.Выполнить микроструктурный анализ различных видов чугунов и сделать схематические зарисовки.

3. Изучить принцип маркировки чугунов по ГОСТам, их свойства и области применения.

Пояснения к работе

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. В промышленных чугунах, кроме железа и углерода, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор, причем в количествах, больших, чем в сталях.

Чугуны обладают лучшими, по сравнению со сталью, литейными свойствами (большей жидкотекучестью, меньшей усадкой), они дешевле стали, но уступают им по прочности и пластическим свойствам, не поддаются ковке.

Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: связанном — в виде карбидов и свободном — в виде графитовых включений различной формы .

В зависимости от этого различают чугуны:

- белый, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов; его излом имеет характерный белый блестящий цвет;

- серый, в котором основная часть углерода находится в свободном состоянии в виде графитовых включений пластинчатой формы;

- ковкий, в котором почти весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму;

- высокопрочный, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графитовых включений шаровидной формы.

Так как серые, ковкие и высокопрочные чугуны содержат графит, их изломы имеют серый цвет, из-за чего по цвету излома перечисленные чугуны называют серыми. Микроструктуры этих чугунов состоят из графитовых включений и металлической основы, которая может быть трех видов: ферритной, феррито-перлитной или перлитной.

Рассмотрение процесса кристаллизации чугунов с учетом термодинамических факторов и кинетики образования цементита и графита объясняет появление пунктирных линий на диаграмме системы Fe – Fe₃C и характер их расположения (рис. 5.1).

E

C

D

F

G

S

P

K

Q

0,8

2,14

4,3

6,67

%С

7270С

11470С

Жидкость

Ж + А

Ж+Гр

А

Ф+Гр

А+Гр

D/

C/

E/

F/

S/

К/

Р/

7380С

11530

А

Рис. 5.1. Объединенная диаграмма состояния метастабильной системы

железо – цементит (сплошные линии) и стабильной системы

железо – графит (пунктирные линии)

Линия Е'С'F' (1153 °С) - линия фазового равновесия Ж↔А, на которой образуется графитная эвтектика.

Линия Р'S'К' (738 ^оС) - линия фазового равновесия А↔Ф+Г, где образуется графитовый эвтектоид.

Меньшая способность феррита, аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что ли­нии Q'Р', S'Е' и С'D' располагаются левее соответству­ющих линий QР, SE и СD.

В интервале температур 1153—738 ^оС из аустенита вы­падает вторичный графит, а аустенит изменяет свой состав по линии Е'S'.

При температурах, соответствующих линии С'D', кри­сталлизуется первичный графит.

Основными факторами, влияющими на процесс графитизации, являются химический состав и скорость охлаждения чугуна.