Вариант 5
Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо-цементит.
1. Чем обусловлено наличие на диаграмме нескольких областей гомогенных твердых растворов?
В системе железо-углерод существуют три области гомогенных твердых растворов:
· GPQ - область существования твердого раствора углерода в α-железе (железе с объемоцентрированной кубической решеткой) – область низкотемпературного α-феррита
· GSEJN – область существования твердого раствора углерода в γ-железе (железе с гранецентрированной кубической решеткой) – область аустенита
· AHN - область существования твердого раствора углерода в железе с объемоцентрированной кубической решеткой – область высокотемпературного феррита. Чтобы отличать его от низкотемпературного феррита, высокотемпературный феррит обозначают δ-феррит.
Существование нескольких твердых растворов связано с различной растворимостью углерода в различных модификациях железа. Растворимость углерода в низкотемпературном феррите ограничивается линией PQ и достигает максимума 0,025% при температуре 727 градусов (точка Р). Растворимость углерода в аустените ограничивается линией SE и достигает максимума 2,14% при температуре 1147 градусов (точка Е). Растворимость углерода в высокотемпературной модификации феррита ограничивается линией HN и достигает максимума 0,1%С при температуре 1499 градусов (точка Н).
а б
Рисунок 2 – Кристаллическая решетка феррита (а) и аустенита
2. При какой температуре протекает и в чем заключается перитектическое превращение?
На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (
), в результате чего образуется аустенит:
Содержание углерода в феррите соответствует точке Н (0,1%), содержание углерода в жидкости соответствует точке В (0,6%), содержание углерода в аустените соответствует точке J (0,15%).
Рисунок 3 – Перитектическое превращение в сталях.
3. Что такое δ-феррит?
Дельта-феррит - высокотемпературная модификация феррита (твердого раствора углерода в альфа-железе с ОЦК решеткой). При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () (
(C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J) и кристаллической решеткой железа ОЦК.
Рисунок 4 – График полиморфных превращений железа (а) и кристаллические решетки железа (б).
4. Будет ли изменяться твердость белого чугуна при увеличении в нем содержания углерода?
Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит называются белыми чугунами.
Рисунок 5 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун
; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун 
.
Фазовый состав белых чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. С увеличением содержания углерода в чугунах увеличивается доля твердого цементита, таким образом, общая твердость чугуна возрастает.
5. Укажите фазы и структурные составляющие, имеющиеся при комнатной температуре в сплаве с 0,8%С. Дайте характеристику этого сплава.
Сплав с содержанием углерода 0,8% - эвтектоидная сталь. Структура данной стали состоит из одной структурной составляющей – перлита.
Перлит – англ. pearlite (от франц. perle - жемчуг) – одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов; название предложено Хоу и связано с перламутровым блеском (перлит напоминает перламутр). Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз – феррита и цементита (в легированных сталях – карбидов). Перлит – продукт эвтектоидного распада аустенита при медленном охлаждении Fe-C-сплавов ниже 723°C. Аустенит (γ-железо) переходит в α-железо, в котором около 0,02% углерода; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов.
Рисунок 6 – Перлит пластинчатый.
6. Определите для заданного сплава химический состав фаз и число степеней свободы при температуре 1000оС.
Рисунок 7 – Определение химического состава фаз и числа степеней свободы сплава.
Сплав 0,8% углерода при температуре 1000 градусов состоит из одной фазы – аустенита. Весь углерод находится в аустените.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. C=К-Ф+2,
где К – количество компонентов,
Ф – количество фаз
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
C=К-Ф+1,
где 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Сплав состоит из двух компонентов (железо и углерод) и при данной температуре 1000 градусов является однофазным (аустенит):
С=2-1+1=2
Вариант 29.
Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо-цементит.
1. С чем связано деление сплавов на диаграмме на стали и чугуна?
Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны. Условная граница между сталями и чугунами – точка Е (2,14%). Сплавы с меньшим содержанием углерода – стали, с большим – чугуны. Принципиальное отличие заключается в том, что славы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %) заканчивают кристаллизацию с образованием эвтектики (ледебурита). Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.
2. Какая форма графитных включений наиболее благоприятна с точки зрения получения высоких механических свойств?
Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение (
) дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.
Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Рисунок 2 – Формы графитных включений в серых чугунах (а – пластинчатый, б – шаровидный, в – хлопьевидный графит).
3. Укажите фазы и структурные составляющие стали с 0,4%С при комнатной температуре и при 750о С.
Фаза – пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решётку и свои свойства. Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение
Содержание углерода | Температура | Фазы | Структурные составляющие |
0,4 | 20 | Феррит и Цементит | Феррит и перлит |
0,4 | 750 | Феррит и аустенит | Феррит и аустенит |
Феррит (Ф) 
(C) – твердый раствор внедрения углерода в 
-железо.
Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа)
Аустенит (А) 
(С) – твердый раствор внедрения углерода в 
-железо.
Перлит (П) – механическая смесь двух фаз (феррита и цементита).
Рисунок 3– Микроструктура стали 40 при комнатной температуре – структурные составляющие перлит (темный) и феррит (светлый).
4. Определите для заданной стали количество углерода, содержащееся в фазах при указанных температурах.
Рисунок 4 – Дополнительные построения к задаче 4.
Дополнительные построения – проведены коноды а1b1 и а2b2 при температурах 750 и 20 градусов. Точка пересечения коноды при 750 градусов с вертикальной линией сплава 0,4%С – точка с1, точка пересечения коноды при 20 градусов – точка с2. Фазовый состав при 750 – феррит и аустенит. Количество углерода в феррите при 750 градусов соответствует точке а1 и составляет 0,025%С, количество углерода в аустените соответствует точке b1 и составляет 0,75%С.
При 20 градусах фазовый состав – феррит и цементит. При 20 градусах количество углерода в феррите практически равно нулю, количество углерода в цементите соответствует точке b2 и составляет 6,67%С.
5. Из каких фаз состоит белый эвтектический чугун при комнатной температуре?
Эвтектическим называется чугун с содержанием углерода 4,3%. Структурная составляющая ледебурит, состоящий из перлита и цементита. Фазовый состав всех железоуглеродистых сплавов при комнатной температуре одинаков – они состоят из феррита и цементита в различных сочетаниях. Феррит и цементит могут быть в виде отдельной структурной составляющей, могут входить в состав механических смесей. Именно так и наблюдается в эвтектическом чугуне. Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.
Рисунок 5 – Микроструктура ледебурита.
6. Что такое δ-феррит?
Железо способно по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.
Рисунок 4 – График полиморфных превращений железа (а) и кристаллические решетки железа (б).
В интервале температур 911-1392оC железо имеет решетку ГЦК, так как при этом его свободная энергия меньше. При t<911°С и t>1392°С, у него должна быть решетка ОЦК, обладающая меньшей свободной энергией.
Разные аллотропические формы металлов обозначаются буквами греческого алфавита, при этом низкотемпературные модификации обозначаются буквой α, а последующие в порядке роста температур - буквами β γ δ и т. д. Аллотропическими формами железа являются: до 911°С - альфа-железо (α - Fe), имеющее ОЦК-решетку, от 911°С до 1392 °С - гамма-железо (γ - Fe) с решеткой ГЦК и от 1392°С до 1539 °С т. е. до температуры плавления - снова α - Fe с решеткой OЦK, однако, чтобы отличить его от низкотемпературной модификации, его принято называть дельта-железом (δ - Fе).
Дельта-феррит - высокотемпературная модификация феррита (твердого раствора углерода в альфа-железе с ОЦК решеткой). При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J) и кристаллической решеткой железа ОЦК.
