Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Институт повышения квалификации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по Металловедению
на тему
«Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов»
Алчевск 2009
1. Железоуглеродистые сплавы
Железоуглеродистые сплавы ─ стали и чугуны ─ важнейшие металлические сплавы (93% всех конструкционных материалов) максимальное содержание углерода в сплавах – 6,67%
В настоящее время
на смену сталям идут другие сплавы: Ti,
Al,
Ni,
Mg-вые
и неметаллические материалы.
Стали – это сплавы Fe–C с содержанием углерода от 0,025 до 2,14%.
Чугун – сплавы Fe–C с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%.
Стали и чугуны ─ многокомпонентные сплавы, но основной элемент это углерод.
Д.К. Чернов дал первое представление о диаграмме Fe – C.
2. Компоненты железоуглеродистых сплавов
Железо (Fe): №26 (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева), атомная масса 55,58
атомный радиус 0,127 нм
Чистое железо (химически чистое) содержит 99,999% Fe. Технически чистое железо содержит 99,8 – 99,9% Fe
О чистоте железа
судят по многим факторам (содержание%
С, цветных металлов, других примесей).
Температура плавления железа 1539º
С. Известно три модификации железа:
(
─ Fe,
─
Fe,
─
Fe).
Собственно
железо ─ имеет одно кристаллическое
строение;
─
высокотемпературная модификация,
существует в интервале 1392─1539ºС;
―
низкотемпературная модификация,
существует ниже 911ºС;
─
существует в интервале 911 ─ 1392ºС
Устойчивость
определенной фазы диктуется более
низкой свободной энергией.
─
Fe
имеет ОЦК решетку;
─
Fe
имеет ОЦК решетку;
─
Fe
имеет ГЦК решетку.
Рисунок 1. Связь свободной энергии с типом кристаллической решетки железа
-Fe
─период решетки 2,8606
;
до температуры 768ºС ─ ферромагнитно
(магнитного). Точка перехода из
ферромагнитного в парамагнитное
состояние называют точкой Кюри (обозначают
А>2>).
Плотность железа:
=
7,68 г./см3.
Структура
и
─ Fe:
-Fe
─парамагнитно. Зерна
-Fe
имеют ограненные края с наличием
двойников:
=
8,0–8,1 г/см3
Точка перехода
в
-Fe
(I
полиморфное превращение) обозначается
А>3>=911ºС.
Точка перехода
в
-Fe
(II
полиморфное превращение) обозначается
А>4>=1392ºС.
Рисунок 2. Кривая охлаждения чистого железа
В железе существует металлический (межатомный) тип связи. Железо является переходным металлом (не достроенная S – оболочка, достраивается d – оболочка).
Углерод (С) имеет
две модификации: графит и алмаз и может
быть в аморфном состоянии. Является
неметаллическим (точнее полуметаллическим)
материалом. Атомный номер N
= 6, плотность
=
2,5 г/см3,
атомная масса 12,011, температура плавления
3500º С, атомный радиус 0,77.
Графит ─ имеет слоистую гексагональную
решетку. Межатомное расстояние небольшое
и составляет 1,4;
расстояние между плоскостями 3,4.
В слоях действуют сильные ковалентные
связи, а между слоями слабые силы Ван
дер Ваальса. (В ковалентной связи силы
равняются 700 кДж/г-атом. В силах Ван дер
Ваальса ─ 4
9
кДж/г-атом).
Рисунок 3. Силы связи в кристаллической решетке углерода
Графит – мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачен и имеет металлический блеск. В алмазной модификации – существуют только ковалентные связи. Алмаз – самый твердый материал, по нему сравнивают другие элементы и твердые сплавы (в г. Алмазное производят углеродистую сажу).
3. Фазы в железоуглеродистых сплавах
В системе Fe─C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения, химическое соединения, чистые компоненты (графит).
Твердые растворы:
Феррит (Ф)
─ различают
─
Ф и
─
Ф
─
Ф
─ твердый раствор внедрения углерода
в
─
Fe
(высокотемпературном). Предельная
растворимость углерода 0,1%.
─
Ф
─ твердый раствор внедрения углерода
в
─ Fe
(низкотемпературном). Предельная
растворимость углерода 0,025% при температуре
727º С. При комнатной температуре
феррит растворяет только 0,006% С.
Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (радиуса атома железа), а также в вакансиях, и дислокациях и т.д.
Рисунок 4. Внедрение атома углерода в решетку феррита
Аустенит (А)
─ твердый
раствор внедрения углерода в
─
Fe.
Предельная растворимость углерода ─
2,14% при температуре 1147º С. Атом углерода
в решетке
─
Fe
располагается в центре элементарной
ячейки в которой может поместиться
сфера радиусом 0,41R.
ГЦК решетка может растворить углерода
больше, чем ОЦК.
Рисунок 5. Внедрение атома углерода в решетку аустенита
Механические свойства.
Феррит:
=250 н/мм2
(МПа)
= 120 н/мм2
(МПа)
=50%,
= 80%
НВ 80–90
Аустенит: обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.
Пояснения к определению механических свойств.
Данный вопрос рассматривался по дисциплине сопротивление материалов:
Предел прочности:
=P>мах>/F>0>
(Н/мм2)
Предел текучести:
=
P>t>/F>0>
(Н/мм2)
F>0 >─ начальная площадь сечения образца (берут F>0>, т. к. в течении опыта в процессе деформации сечения изменяется).
Относительное удлинение:
=
Относительное сужение:
=
Твердость (НВ, HRC, HV)─ сопротивление металла небольшим пластическим деформациям.
Рисунок 6. Кристаллическая решетка цементита
Цементит (Ц) ─ химическое соединение железа с углеродом ─ карбид железа Fe>3>C. В цементите содержится 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 6). Температура плавления цементита ─ 1250º С. Магнитные свойства цементит теряет при 217ºС. Имеет высокую твердость: > 800НВ, но очень низкую, нулевую пластичность. Цементит ─ соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
4. Структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах
Перлит (П) ─ механическая смесь двух фаз, образующихся из аустенита содержащего 0,81% С ниже температуры 727 ºС в результате эвтектоидного превращения:
А
>0,81
% С
>Ф>0,025
% С >+ Ц>6,67
% С>
Перлит (эвтектоид)
Перлит (на поверхности полированного и протравленного микрошлифа) имеет перламутровый цвет, переливается всеми цветами. Перлит содержит 0,81% С. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок Ц и Ф.
Рисунок 7. Микроструктура перлита
Специальной обработкой (термической) может быть получен зернистый перлит. Перлит встречается в сталях и чугунах.
Ледебурит ─ механическая смесь двух фаз: аустенита и цементита, образующихся в результате эвтектического превращения жидкой фазы содержащей 4,32% С при 1147º С:
Ж
>4,32
% С>А>2,14
% С>> >+
Ц(Fe>3>C)>6.37
% С>
Ледебурит (эвтектика)
Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения)
Ниже 727º С аустенит входящий в ледебурит испытывает эвтектоидное превращение, т.е. превращается в перлит.
Таким образом, в интервале температур:
1147º С – 727º С ─ Л (А+Ц);
727º С – t>комн> º С ─ Л (П+Ц).
Ледебурит назван в честь немецкого ученного ─ Ледебура.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.