Меню

Кривая охлаждения железо цемент



Материаловедение

Построение кривых охлаждения сплавов Железо-Цементит

При рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура и поэтому n = 1. Система железо-цементит является двухкомпонентной, то есть к = 2. Отсюда следует, что

с = 2 + 1 – ф = 3 – ф.

Для построения кривой охлаждения (или нагрева) сплава, прежде всего, необходимо найти на концентрационной оси диаграммы состояния координату, соответствующую содержанию углерода в сплаве. Затем из найденной точки следует восстановить перпендикуляр до области существования жидкой фазы. Кривая охлаждения (или нагрева) строится справа от диаграммы состояния в координатах температура (ось абсцисс) — время (ось ординат). Масштаб оси времени произвольный, а масштаб оси температуры такой же, как и на диаграмме состояния.
Во время охлаждения сплава в нем происходят фазовые превращения. Каждое превращение протекает за определенный промежуток времени, поэтому соответствующие им участки кривой охлаждения имеют различные углы наклона по отношению к горизонтальной оси. Чем быстрее происходит превращение, тем круче кривая. Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения идут во времени при постоянной температуре (так как с = 0), следовательно, им на кривой охлаждения будут соответствовать горизонтальные участки .
Построение кривой охлаждения рассмотрим на примере чугуна, содержащего 5 % углерода (см. рисунок). Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 5 % углерода на оси абсцисс до точки 1, находящейся в области жидкого состояния сплавов. Переносим пунктиром температуру точки 1 на ось температур нашего графика. В точке 1 рассматриваемый сплав находится в жидком состоянии (то есть существует только одна фаза  жидкий раствор углерода в железе), следовательно с = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до точки 2. Точкой 2 обозначено пересечение нашей вертикали с линией CD диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации цементита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза  цементит, число степеней свободы уменьшается (с = 3 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке кривой 1-2 указываем фазовое состояние сплава “ж” и число степеней свободы, равное 2, соответственно на участке 2-3 фазовое состояние “ж + ц”, а число степеней свободы с = 1. При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.
Точка 3 (пересечение вертикали с линией ECF) соответствует эвтектическому превращению, то есть совместной кристаллизации цементита и аустенита с образованием ледебурита. При этом одновременно существуют три фазы: жидкость, цементит и аустенит, следовательно число степеней свободы с = 3 – 3 = 0, и система нонвариантна, три фазы могут находиться в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждения это отражено отрезком 3-3*. Между точками 3 и 4 сплав имеет двухфазное состояние (аустенит и цементит) и с = 3 – 2 =1. При температуре, соответствующей точке 4, в сплаве происходит эвтектоидное превращение, аналогичное эвтектическому. Отличие только в том, что в нем участвуют только твердые фазы: аустенит, цементит и феррит. На кривой охлаждения делаем соответствующие записи.

Содержание отчета
Диаграмма состояния железо-цементит с обозначением критических точек и областей диаграммы. Кривая охлаждения (или нагрева) сплава с заданной концентрацией углерода. Определение феррита, аустенита, перлита, ледебурита и зарисовка их структур.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое фаза?
2. Что называется структурной составляющей?
3. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит?
4. Что такое критическая точка?
5. Как обозначаются критические точки?
6. Что такое эвтектическое превращение?
7. Чем эвтектоидное превращение отличается от эвтектического?
8. Как расшифровывается правило фаз?
9. Как строятся кривые охлаждения?

Источник

Построить и описать кривую охлаждения чистого железа.

Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 0,6 % С. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Сплав с содержанием углерода 0,6 % называется доэвтектоидной сталью.

В исходном состоянии сталь имеет структуру, состоящую из зерен феррита (твердый раствор внедрения углерода в ОЦК-решетке железа) и зерен перлита (механическая смесь из феррита и цементита).

Читайте также:  Процессы при обжиге цементного клинкера

Микроструктура доэвтектоидной стали

(но это не сталь с содержанием 0,6 % С, здесь примерно 0,4 %С)

Для того, чтобы проследить, какие превращения претерпевает сплав (сталь 60) при охлаждении, проведем линию сплава и пронумеруем точки пересечения линии сплава с линиями диаграммы. Это и есть критические точки.

Критическая точка – это температура, при которой начинается, заканчивается или полностью протекает фазовое или другое превращение в сплаве. На кривых охлаждения им соответствуют остановки или линии перегиба.

1 – температура Ликвидус (линия AВCD) – при охлаждении начинается процесс кристаллизации, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита;

2 – температура Солидус (линия AECF ) – при охлаждении заканчивается кристаллизация аустенита;

3 – критическая точка А3 (линия GS) – температура начала выделения феррита из аустенита;

4 – критическая точка А1 (линия PSK) – превращение (распад) оставшегося аустенита в перлит – эвтектоидное превращение;

5 – (на диаграмме не обозначена) – магнитное превращение цементита – 210С

Превращения, протекающие при охлаждении (цифры рядом с буквами обозначают содержание углерода в данной фазе)

1. Кристаллизация аустенита из жидкости Ж0,6  А0,6 (в интервале 1–2)

2. превращение части аустенита в феррит (путем полиморфного превращения):

А0,6  Ф0,02 (в интервале 3–4)

При этом оставшаяся часть аустенита обогащается по углероду до 0,8 %, согласно правилу отрезков.

3. Эвтектоидное превращение оставшейся части аустенита А0,8  П0,8 (Ф0,02 + Ц6,67) (на кривой охлаждения – горизонтальная линия 4–4/)

4. Выделение избыточного цементита третичного (ЦIII) из феррита: Ф0,02  Ц6,67

Равновесная структура этого сплава – смесь феррита и перлита (рис. в начале)

Количественное оотношение феррита и перлита можно определить следующим образом (и нарисовать схему структуры надо в соотвествии:

Это только для доэвтектоидных стей

0,8 % С 100 % перлита

0,6 % С % перлита для данной марки стали

–это столько перлита содержится в стали с 0,6 % углерода

Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 0,8 % С. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Превращения, протекающие при охлаждении

1. Кристаллизация аустенита из жидкости Ж0,8  А0,8

2. Эвтектоидное превращение А0,8  П0,8 (Ф0,02 + Ц6,67)

Сплав с содержанием углерода 0,8 % называется эвтектоидная сталь.

Равновесная (окончательная) структура этого сплава – перлит (механическая смесь феррита и цементита).

Вычертите диаграмму состояния железоцементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,0 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Превращения, происходящие при охлаждении сплава от жидкого состояния до комнатной температуры

1. Кристаллизация аустенита из жидкости (от 1 до 2)

2. Выделение избыточного цементита вторичного из аустенита (от 3 до 4)

3. Эвтектоидное превращение (4–4/) А0,8  П0,8 (Ф0,02 + Ц6,67)

Т от 2 до 3 от3 до 4 сначала 

В интервале 4…4/ присмходит распад аустенита на (Ф-Ц)-смесь

Сплав, содержащий 1,0% С – это заэвтектоидная сталь.

Структура при комнатной температуре – перлит + цементит вторичный

Структура после медленного охлаждения – перлит и цементит вторичный в виде сплошной цементитной сетки, что является брако

Здесь по правилу отрезков можно определить количественное соотношение перлита и цементита. За основу берётся отрезок РSК.

Здесь учтен весь цементит: в составе перлита + в виде вторичного

Это мы рассматривали на практическом занятии

Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 3,2 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Сплав, содержащий 3,2 % С называется доэвтектическим чугуном.

Превращения, протекающие при охлаждении

1. Кристаллизация аустенита из жидкости Ж3,2А2,14

2. Кристаллизация из оставшейся жидкости эвтектики (ледебурита), состоящей из кристаллов аустенита и цементита Ж4,3  Л4,3 (А2,14 + Ц6,67)

3. Выделение избыточного цементита вторичного (ЦII) из аустенита

4. Эвтектоидное превращение А0,8  П0,8 (Ф0,02 + Ц6,67)

5. Выделение избыточного цементита третичного (ЦIII) из феррита

Равновесная структура состоит из перлита (П), ледебурита (Л) и цементитаII (ЦII).

8.Строение слитков спокойной и кипящей стали.

Читайте также:  Сколько надо цемента для 1 куба смеси

Строение слитка зависит то t разливки стали, в линейной скорости разливки, скорости подъема, хим. состава стали.

Слиток имеет неоднородное строение из-за большого количества зерен разных размеров и форм.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Спокойную сталь раскисляют сначала ферромарганцем, потом ферросилицием и заканчивают раскисление обычно алюминием при выпуске стали из печи. Этим достигается высокая степень раскисления, вследствие чего в течение процесса кристаллизации слитка спокойной стали не происходит бурного выделения газов.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода:

Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа ( ), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( ), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Дефекты и брак поковок могут быть следствием дефектов исходного металла, нагрева и дефектов, возникающих при ковке и штамповке из-за нарушения технологии и износа штампов.

Дефекты слитка. Сталь после выплавки в мартеновской печи отливается в специальные металлические формы — изложницы и в них застывает. Полученные таким образом слитки идут на дальнейшую обработку — прокатку и ковку. Вследствие того, что условия застывания металла в разных частях слитка различные, его состав и свойства получаются неодинаковыми. В первую очередь застывает металл, который соприкасается с холодными стенками изложницы, и затем застывание идет в направлении к центральной и верхней частям слитка. Строение металла поверхностных слоев слитка будет плотное, мелкозернистое, в центральной части кристаллы будут крупными. Сталь имеет различные составляющие, которые застывают при разной температуре. Поэтому наибольшее количество легкоплавких составляющих, содержащих серу, фосфор, углерод и неметаллические частицы, будет находиться в центральной и верхней частях слитка.

Строение слитка зависит то t разливки стали, в линейной скорости разливки, скорости подъема, хим. состава стали.

Слиток имеет неоднородное строение из-за большого количества зерен разных размеров и форм.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Спокойную сталь раскисляют сначала ферромарганцем, потом ферросилицием и заканчивают раскисление обычно алюминием при выпуске стали из печи. Этим достигается высокая степень раскисления, вследствие чего в течение процесса кристаллизации слитка спокойной стали не происходит бурного выделения газов.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода:

Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа ( ), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( ), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Дефекты и брак поковок могут быть следствием дефектов исходного металла, нагрева и дефектов, возникающих при ковке и штамповке из-за нарушения технологии и износа штампов.

Дефекты слитка. Сталь после выплавки в мартеновской печи отливается в специальные металлические формы — изложницы и в них застывает. Полученные таким образом слитки идут на дальнейшую обработку — прокатку и ковку. Вследствие того, что условия застывания металла в разных частях слитка различные, его состав и свойства получаются неодинаковыми. В первую очередь застывает металл, который соприкасается с холодными стенками изложницы, и затем застывание идет в направлении к центральной и верхней частям слитка. Строение металла поверхностных слоев слитка будет плотное, мелкозернистое, в центральной части кристаллы будут крупными. Сталь имеет различные составляющие, которые застывают при разной температуре. Поэтому наибольшее количество легкоплавких составляющих, содержащих серу, фосфор, углерод и неметаллические частицы, будет находиться в центральной и верхней частях слитка.

Читайте также:  Средство от тараканов с цементом

1 — серединные кристаллы, имеющие различное направление; 2 — усадочная рыхлость и место наибольшего скопления неметаллических частиц; 3 — усадочные пустоты; 4 — мосты перемычки; 5 — усадочная раковина; 6 — кристаллы, имеющие вид мелких зерен; 7 — мелкие кристаллы, расположенные перпендикулярно к стенкам изложницы; 8 — крупные кристаллы, расположенные перпендикулярно к стенкам изложницы; 9 — крупные кристаллы, расположенные наклонно; 10 — кристаллы, имеющие вид крупных зерен

При разливке сильной струей сталь разбрызгивается, брызги попадают на холодные стенки изложницы и застывают. При прокатке или ковке застывшие брызги образуют плены, представляющие собой слои металла отделяющиеся от основной массы и не сваривающиеся с ней из-за пленки окислов.

От резкого охлаждения поверхности слитка и от подвисания слитка на поверхностях и выбоинах изложницы образуются продольные и поперечные трещины. Наличие в металле при заливке газов и неправильный режим заливки приводят к образованию в слитке подкорковых пузырей.

При отливке в металл могут попасть неметаллические включения, которые при дальнейшей обработке приводят к трещинам и волосовинам.

Рис. 87. Схема строения стального слитка.

9.Теория сплавов,понятия: система, сплав, компонент, фаза.

Сплав – вещество, полученное сплавлением нескольких элементов. Другими словами, сплав – это твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из 2-х и более химических элементов. Состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплавлегирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).

Компонент – элемент или химическое соединение, входящее в состав сплава (элементы или химические соединения, образующие сплав). Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими.

Фазовая составляющая (фаза) – однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела (при переходе через которую химический состав, структура, а, следовательно, свойства меняются скачкообразно).

Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).

В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ–Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170. 220.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160. 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

1. В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 5004 ;

Источник