Практическая работа.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ "ЖЕЛЕЗО - ЦЕМЕНТИТ".
СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.
Цель работы: исследовать кристаллическое строение металлов, определить основной структурный
состав черных сплавов, исследовать структурный состав металлов и сплавов.
Ход работы:
1. Кристаллическое строение металлов.
По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические. Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия.
Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям.
Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.
|
|
|
канифоль | воск | клей |
В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества.
Простые кристаллические решетки:
1 – простая кубическая решетка; 2 –гранецентрированная кубическая решетка;
3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка
Основными типами кристаллических решёток являются:
1) Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.3), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feб )
2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 2), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Feг )
3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник (рис. 4):
а) простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру двух оснований (углерод в виде графита);
б) плотноупакованная (ГПУ) – имеются 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Fe: 911°C – ОЦК — Feб ;
911°C < t > 1392°C – ГЦК — Feв ;
1392°C < t > 1539°C – ОЦК — Feг ; (высокотемпературное Feб )
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Металлы с одним типом решетки:
Тип | Металл | Название металла |
ГЦК | Ag, Au, Pt, Cu, Al, Pb, Ni | |
ОЦК | Na, K, V,Nb, Cr, Mo, W | |
ГП | Be, Mg, Zn, Cd |
Металлы с полиморфным превращением:
Металл | Название металла | Тип решетки | Температура |
Ca | ГЦК ↔ ГП | 450 | |
Ce | ГП ↔ГЦК | 477 | |
Zr | ГП ↔ОЦК | 882 | |
Ti | ГП ↔ОЦК | 882 | |
Fe | ОЦК↔ГЦК↔ОЦК | 911, 1 392 |
2. Диаграмма состояния железо-цементит. Структурные составляющие.
Название структуры | Описание структуры | Вид микрошлифа |
Феррит | Фаза в железоуглеродистых сплавах, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода в б-железе (Fe), максимальная растворимость составляет 0,02 % углерода (С) и наблюдается при температуре 727 °С. Кристаллическая решетка феррита представляет собой объемно-центрированный куб. На диаграмме состояния Fe - Fe3C чистый феррит располагается левее линии QPG. В зависимости от условий термической обработки феррит может принимать или полигональную форму (нормальный нагрев с последующим медленным охлаждением), или игольчатую форму (перегрев с последующим медленным охлаждением). Полигональный феррит является мягкой, пластичной фазой. Твердость игольчатого феррита несколько выше, чем полигонального. Название образовано от латинского слова ferrum - железо |
|
Аустенит | Одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе. Аустенит получил название по имени английского учёного У. Робертса-Остена (W. Roberts-Austen, 1843—1902). Кристаллическая решётка — куб с центрированными гранями. Немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. |
|
Цементит | Одна из основных фаз железоуглеродистых сплавов, представляющая собой химическое соединением (карбид железа) состава Fe3C. Из всех фаз в системе железоуглеродистых сплавов цементит обладает наиболее высокой твердостью и очень низкой пластичностью. Концентрация углерода в цементите составляет 6,67 %. Твердость 800 HV, хрупкое химическое соединение. Характеризуется орторомбической кристаллической решеткой. Когда цементит присутствует, как фаза в стали, его химический состав может меняться за счет присутствия марганца и других карбидообразующих элементов. Самое высокое содержание цементита наблюдается в белых чугунах, которые используются в тех случаях, когда требуется высокое сопротивление износу. |
|
Перлит | Одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Перлит — продукт эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом г-железо переходит в б-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули цементита располагаются на фоне зёрен феррита). При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом. |
|
Эвтектика | Мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре. |
|
Графит | Чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава. |
|
Ледебурит | Механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%. При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. |
|
Феррит | Аустенит | Цементит | Графит | Перлит | Ледебурит | |
Сущность | твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе | твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе | химическое соединение железа с углеродом | чистый углерод | механическая смесь феррита и цементита | механическая смесь аустенита и цементита |
Обозначение | Ф или | А или | Ц или Fe3C | Г | П = Ф + Ц = | Л = А + Ц = |
Твердость HB | 80-100 | 160-200 | 800 | 3 | 160 | 600-700 |
Содержание углерода | до 0,02% | до 2,14% | 6,67% | 100% | 0,8% | 4,3% |
-Fe(C)
-Fe(C)3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:
1.Заполните пропущенные фазовые состояния.
4. Ответьте на вопросы:
Какую кристаллическую решетку имеет железо?
Что такое полиморфизм?
Что такое аллотропия?
Что такое аморфность?
5. Решите кроссворд.
По горизонтали
1. Сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 %
3. Сплав железа с углеродом с содержанием не более 2,14 %
6. Общее, собирательное название различного металлического мусора (пришедших в негодность металлических изделий), утилизируемого или не утилизируемого во вторичном металлургическом цикле
7. Элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 25. Обозначается символом Mn
9. Вид полезных ископаемых, природное минеральное образование, содержащее соединения полезных компонентов (минералов, металлов) в концентрациях, делающих извлечение этих минералов экономически целесообразным
По вертикали
2. Химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107
4. Сплав железа с другими элементами (cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали
5. Элемент побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 23. Обозначается символом V
8. Элемент побочной подгруппы шестой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 24 .
6. Распишите марки стали, остальные марки распределите в группы и дайте им названия: ВСт5сп, М00бк, сталь 20Г, ЛЦ23А6Ж3Мц2, БрО3Ц7С5Н, 36ХН6А, АЛ 17, КЧ 36, ВЧ 42, У 7А, БСт3пс
7. В каких координатах строят диаграмму состояния железо — цементит (Fe —Fe3C)?
8. Нанесите основные линии диаграммы состояния системы Fe — Fe3C. Укажите характерные точки диаграммы, лежащие на этих линиях.
9. Как влияют на механические свойства сплавов структуры: цементит, феррит, перлит и ледебурит? Данные занесите в таблицу.
Механические | ||
Прочность | Твердость | Пластичность |
Феррит | ||
Цементит | ||
Перлит | ||
Ледебурит |
10. Распределите металлы в две колонки и дайте группам название: алюминий, чугун, медь, олово, сталь, железо, магналий, кремний, сера, хром, фосфор, никель, латунь, цинк, бронза, титан. Какие элементы не вошли в таблицу, почему?
11. Укажите, при каком содержании углерода ( %) стали являются доэвтектоидными:
а) 2,14...4,3;
б) 0...2.14;
в) 4,3...6,67;
г) 0...0.8.
12.При каком содержании углерода ( %) стали являются заэвтектоидными?:
а) 0,8...2,14;
б) 0...0.8;
в) 2,14...4,3;
г) 4,3...6,67.
13. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C соответствует началу кристаллизации сплава? ________________________________________________________________
14. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe— Fe3C соответствует окончанию кристаллизации сплава? __________________________________________________________________
15. Каково содержание углерода в чугуне?
16. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией верхних критических точек?
17. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией нижних критических точек? _________________________________________________________________
18.Напишите определения: а) чугун — это_____________ б) сталь — это ________________
19. Чем отличается сталь от чугуна? _______________________________________________
