рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Сплавы системы Fe-Fe3C

Сплавы системы Fe-Fe3C - раздел Высокие технологии, Материаловедение. Технология конструкционных материалов   Свойства Металлических Материалов Зависят Не Только От Их Хим...

 

Свойства металлических материалов зависят не только от их химического состава, но и от микроструктуры. Особенно важно знать микроструктуру железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов), так как в современном машиностроении, в том числе и на железнодорожном транспорте, эти сплавы являются наиболее распространенным конструкционным материалом.

Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это достигается только при медленном охлаждении в процессе отжига. Поэтому для успешного выполнения данной работы от студентов требуется детальное знание диаграммы состояния «железо – цементит» (рис. 3).

Напомним, что компонентами рассматриваемой системы являются железо и углерод. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита. В системе «железо – цементит» различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит в высокоуглеродистых сплавах.

 

Рис. 3. Диаграмма состояния «железо – цементит»

 

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и примесей в a-железе. Углерода в феррите очень мало. Согласно диаграмме (рис. 3) предел растворимости углерода в a-железе при температуре 727 °С (точка Р) составляет 0,025 %, а при комнатной – всего 0,008 %. Различают еще высокотемпературный феррит-d с максимальной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1492 °С.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода и примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14 % (точка Е) при температуре 1147 °С.

Цементит (карбид железа Fe3C) – химическое соединение, содержащее постоянное количество углерода 6,67 %.

Перечисленные твердые фазы могут входить в структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры.

Необходимо знать, что сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода (практически 0,1...1,6 %). Углеродистые стали не содержат других (легирующих) элементов, за исключением так называемых постоянных примесей, которые неизбежны в технических углеродистых сталях. Кним относятся кремний (до 0,4 %), марганец (до 0,8 %), сера (до 0,06 %), фосфор (до 0,7 %) и др.

В зависимости от содержания углерода по микроструктуре углеродистые стали подразделяют на: доэвтектоидные, содержащие менее 0,8 % углерода, эвтектоидные –0,8 % углерода, и заэвтектоидные – более 0,8 % углерода. Свойства сталей (а следовательно, их применение) различны, что определяется их структурой. В равновесном состоянии микроструктура углеродистых сталей может состоятьиз феррита, перлита и цементита. Феррит и цементит являются однофазными структурными составляющими, а перлит – двухфазной.

Феррит обладает невысокой твердостью (НВ = 80 кгс/мм2) и прочностью, но очень пластичен. Увеличение количества феррита в сталях приводит к повышению ее пластичности и снижению твердости. Микроструктура феррита имеет вид светлых зерен, изображаемыхнасхеме в виде многоугольников неправильной формы (рис. 4). Окраска зерен может иметь различный тон из-за различной травимости зерен, срезанных при изготовлении микрошлифа по разным кристаллографическим плоскостям (анизотропия свойств кристаллов).

 

×150  
Рис. 4. Схема микроструктуры технически чистого железа (феррит)

 

Цементит Fe3C обладает очень высокой твердостью ~ 800 НВ и очень хрупок. После обычного травления спиртовым раствором азотной кислоты цементит, как и феррит, под микроскопом имеет белый цвет. Для выявления цементита иногда применяют травление пикратом натрия, после которого он окрашивается в темный цвет, феррит при этом остается светлым. Цементитная фаза присутствует во всех сталяхили в структурно-свободном состоянии (в заэвтектоидных сталях) или входя в состав перлита.

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь феррита и цементита – является двухфазной структурной составляющей железоуглеродистых сплавов. Имеет концентрацию углерода 0,8 %. Перлит, получивший название по перламутровому оттенку шлифа после травления, бывает пластинчатым и зернистым взависимости от формчастичекцементита. Схема микроструктуры пластинчатого перлита представлена на рис. 5.

Следует иметь в виду, что формирование структуры сплавов происходит в процессеих охлаждения из расплавленного состояния до нормальной температуры. При медленном охлаждении кристаллизация проходит в соответствии с диаграммой состояния «железо – цементит», все превращения в сплавах завершаются полностью, и окончательная структура является равновесной.

Процесс кристаллизации обычно рассматривают, используя построение кривой охлаждения соответствующего сплава. Необходимо отметить, что у всех сплавов, содержащих менее 2,14 % углерода, в результате первичной кристаллизации образуется структура аустенита (см. рис. 3). Поэтому для изучения равновесных структур углеродистых сталей при комнатной температуре воспользуемся левым нижним углом диаграммы «железо – цементит» (рис. 6).

×150
Рис. 5. Схема микроструктуры пластинчатого перлита

 

а б
Рис. 6. Левый нижний угол диаграммы железо-углерод (а) и (б) кривая охлаждения сплава II (доэвтектоидной стали)

 

Железо. Сплавы, содержащиеменее 0,008 % углерода, являются однофазными и имеют структуру чистого феррита. Кним относится электролитическое железо. Техническое железо (сплав I) содержит более 0,008 %, но менее 0,025 % углерода, структура состоит из феррита и третичного цементита, расположенного по границам зерен в виде прослоек.

Доэвтектоидная углеродистая сталь содержит менее 0,8 % углерода. В соответствии с диаграммой достояния структура стали состоит из зерен феррита и перлита (сплав II). Феррит выделяется из аустенита от линии GS (точка 1, см. рис. 6, а) до линии PSK (точка2). Аустенит в результате этого процесса обогащается углеродом до 0,8 % и при постоянной температуре 727 °С превращается в перлит (участок кривой охлаждения 2 – 2').

Следует отметить, что с увеличением содержания углерода количество перлита в доэвтектоидной стали увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Количество перлита в структуре стали равно 100 % при содержании в ней углерода 0,8 % (эвтектоидная сталь). Если условно принять феррит за чистое железо, можно считать, что весь углерод в доэвтектоидной стали содержится в перлите. Это дает возможность по площади, занимаемой перлитом, в микроструктуре отожженной доэвтектоидной стали приближенно определить содержание в ней углерода.

,

где С – содержание углерода в стали, %;

FП – площадь перлитной составляющейв структуре стали, %.

 

Например, если площадь,занимаемая перлитом, составляет 50 % (по глазомерному определенно илиизмерению), то в стали содержится углерода

%.

Следует обратить вниманиена то, что при содержании 0,6...0,7 % углерода феррит выделяется не в виде отдельных зерен, а оторочкой вокруг зерен перлита и наблюдается на шлифе, как ферритная сетка.

Заэвтектоидной углеродистой сталью называется сталь, содержащая более 0,8 % углерода. Микроструктура этой стали представляет собой зерна пластинчатого перлита, разделенные тонкой прослойкой избыточного вторичного цементита, которая образует в плоскости шлифа тонкую цементитную (карбидную) сетку. Вторичный цементит выделяется как избыточная фаза по границам зерен аустенита в процессе охлаждения (сплав IV на рис. 6, а) между линиями SE и PSK. Такая микроструктура заэвтектоидной стали (цементитная сетка и пластинчатый перлит) неблагоприятно влияет на ее механические и технологические свойства: повышается хрупкость, снижается ударная вязкость и ухудшается обрабатываемость резанием. Лучшей структурой заэвтектоидиой стали является зернистый перлит и разорванная цементитная сетка, получаемые с помощью специальной термической обработки.

Необходимо твердозапомнить, что практическое применение углеродистых сталей для определенных деталей и изделий в первую очередь зависит от их структуры, а следовательно, от содержания в стали углерода.

Приочень малом содержании углерода (0,05...0,15 %), из-за большого количества феррита, стали очень пластичны, но непрочны, хорошо обрабатываются давлением даже в холодном состоянии, прокатываются, штампуются с глубокой вытяжкой. Поэтомуиз них изготавливают малонагруженные детали высокой пластичности: кровельные листы, кожухи, прокладки, колпачки и т. п.

С увеличением концентрации углерода до 0,15...25 % возрастет содержание перлита, поэтому прочность становится выше при довольно высокой пластичности, вязкости и хорошей свариваемости. Из такой стали изготавливают: паровые котлы, трубопроводы, сосуды, работающие под давлением, строительные и другие конструкции, соединяемые чаще всего сваркой. Эти стали не поддаются закалке, твердостьих невелика, поэтому при использовании в качестве материала для деталей, работающих на износ (шестерни, звездочки, кулачковые валики), поверхности деталей подвергают науглероживанию – цементации.

Из сталей, содержащих 0,2...0,4 % углерода, чаще всего изготавливают крепежные детали – гайки, болты, шпильки.

При 0,3...0,5 % углерода стали имеют достаточную прочность благодаря повышенному содержанию перлита. Их применяют для деталей, работающих в условиях больших статических и динамических нагрузок, после упрочнения закалкой – шпинделей, валов, шестерен, звездочек и т. п.

Стали, имеющие высокий предел упругости и не очень хрупкие (0,5...0,7 % углерода), применяют для изготовления рессор, пружин и других деталей, которые должны обладать высокой прочностью.

Высокоуглеродистые стали, содержащие более 0,6...0,7 % С, используют для изготовления железнодорожных колес и рельсов, так как они обладают высокой твердостью и износостойкостью (особенно после закалки). Такие свойства обеспечиваются минимальным содержанием или полным отсутствием структурно-свободного феррита. Избыточный (вторичный) цементит в заэвтектоидных сталях еще больше повышает их твердость.

Из доэвтектоидных и завтектоидных сталей (0,7...0,8 % углерода) изготавливают инструменты, работающие при ударных нагрузках: молотки, зубила, кернеры, бородки и т.п.

Из заэвтектоидных (более 0,8 % углерода) – изготавливают инструменты большой твердости, не подвергающиеся ударам:напильники, сверла, резцы, метчики, развертки, шаберы и др.

Чугуны – железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В технических чугунах, кроме основных компонентов (железа и углерода), содержатся постоянные примеси (марганец, кремний, сера, фосфор), как правило, в больших количествах, чем в углеродистых сталях.

Структура и основные свойства чугуна зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.

Углерод в чугунах может быть двух видов: химически связанным (цементит Fe3C) и свободном (графит). В зависимости от того, в каком виде присутствует углерод в сплавах и какова форма графитных включений различают чугуны белые, серые, высокопрочные и ковкие. Названия «белый» и «серый» чугун определяются цветом излома, название «ковкий» – условное.

Чугуны (кроме белых) широко применяются в качестве конструкционных материалов, так как обладают, при относительной дешевизне, хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, антифрикционными свойствами и хорошо обрабатываются резанием. Механические свойства чугунов по сравнению со сталью болеенизки, они практически не деформируются.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Ростовский государственный университет путей сообщения...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Сплавы системы Fe-Fe3C

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Кротов В.Н.
  Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Часть 1 учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов / В.Н. Кротов, Л.А. Кармазина ; под ред. И.С. Мороз

И свойствами сплава
Несмотря на обилие различных материалов (только металлических материалов более 250 000), правила по их выбору до сих пор не разработаны. Однако существует следующий порядок выбора материалов:

В процессе эксплуатации
    Виды разрушения металла Примеры деталей, склонных к данному разрушению   Причина разрушения

Белый чугун
Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме «железо – цементит» (рис. 7), п

Серые чугуны
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения. По строению металлической основы чугуны разделяют на:

Ковкие чугуны
Ковкими называют чугуны с хлопьевидным графитом, которые получают из белого чугуна в результате специального графитизирующего отжига. При отжиге цементит белого (обычно доэвтектического) чугуна рас

Высокопрочные чугуны
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Эти чугуны получают путем модифицирования жидкого сплава незначительным количеством магния, церия, кальция и других элементо

Половинчатые чугуны
При частичной графитизации цементита в структуре белого чугуна появляется графит. Чугун, в структуре которого одновременно присутствуют цементит (или ледебурит) и графит, называется половинчатым (и

ТЕРМИЧЕСКая ОБРАБОТКа СТАЛИ
Практика термической обработки включает в себя выбор вида термической обработки стали и режима её проведения в зависимости от требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и др.).

Практика закалки стали
Практика закалки стали включает в себя выбор температуры нагрева, условий нагрева, скорости охлаждения и способа охлаждения. Выбор температуры нагрева tн. Температуру наг

Практика отпуска стали
Закалённая деталь имеет высокий уровень внутренних напряжений, для снижения которых производят отпуск. На практике различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпер

Практика отжига и нормализация
Для получения равновесного состояния (наименьших внутренних напряжений, наилучшей обрабатываемости и наименьшей твёрдости), устранения ликвации, а также для уменьшения размера зерна применяют такие

Медные сплавы
Медно-цинковые сплавы – латуни маркируются буквой Л и числом, указывающим процентное содержание меди, остальное – цинк, например: Л96, Л90, Л70 и т.д. В обозначениях марок латуней более сложного со

Библиографический список
  1Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. – М. : Металлургия, 1997. – 647 с. 2Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьев

Основные термины
Азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом. Алитирование – насыщение поверхностного слоя стали алюминием. Аустенит (А)– твердый раст

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги