Міністерство освіти і науки України
Донбаський державний технічний університет
Інститут підвищення кваліфікації
Контрольна робота
по Металознавство
на тему
«Будова і властивості компонентів, фаз і структурних складових залізовуглецевих сплавів»
Алчевськ 2009
1. Железоуглеродістиє сплави
Железоуглеродістиє сплави ─ сталі і чавуни ─ найважливіші металеві сплави (93% всіх конструкційних матеріалів) максимальний вміст вуглецю в сплавах - 6,67%
В даний час на зміну сталям йдуть інші сплави: Ti, Al, Ni, Mg-ші і неметалеві матеріали.
Стали - це сплави Fe - C з вмістом вуглецю від 0,025 до 2,14%.
Чавун - сплави Fe - C з вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67%.
Сталі й чавуни ─ багатокомпонентні сплави, але основний елемент це вуглець.
Д.К. Чернов дав перше уявлення про діаграмі Fe - C.
2. Компоненти залізовуглецевих сплавів
Залізо (Fe): № 26 (Періодична система елементів Д. І. Менделєєва), атомна маса 55,58
атомний радіус 0,127 нм
Чисте залізо (хімічно чисте) містить 99,999% Fe. Технічно чисте залізо містить 99,8 - 99,9% Fe
Про чистоту заліза судять по багатьом факторам (зміст% С, кольорових металів, інших домішок). Температура плавлення заліза 1539 º С. Відомо три модифікації заліза: (
─ Fe,
─ Fe,
─ Fe).
Власне залізо ─ має одну кристалічну будову;
─ високотемпературна модифікація, існує в інтервалі 1392 ─ 1539 º С;
- Низькотемпературна модифікація, існує нижче 911 º С;
─ існує в інтервалі 911 ─ 1392 º С
Стійкість певної фази диктується нижчою вільною енергією. ─ Fe має ОЦК грати;
─ Fe має ОЦК грати;
─ Fe має ГЦК грати.
Малюнок 1. Зв'язок вільної енергії з типом кристалічної решітки заліза
- Fe ─ період грати 2,8606
; До температури 768 º С ─ феромагнітної (магнітного). Точка переходу з феромагнітного в парамагнітне стан називають точкою Кюрі (позначають А 2).
Щільність заліза: = 7,68 р. / см 3. Структура
і
─ Fe:
- Fe ─ парамагнітними. Зерна
- Fe мають ограновані краю з наявністю двійників:
= 8,0-8,1 г / см 3
Точка переходу в
- Fe (I полиморфное перетворення) позначається А 3 = 911 º С.
Точка переходу в
- Fe (II полиморфное перетворення) позначається А 4 = 1392 º С.
Малюнок 2. Крива охолодження чистого заліза
У залозі існує металевий (міжатомних) тип зв'язку. Залізо є перехідним металом (не добудована S - оболонка, добудовується d - оболонка).
Вуглець (С) має дві модифікації: графіт і алмаз і може бути в аморфному стані. Є неметалевим (точніше напівметалевих) матеріалом. Атомний номер N = 6, щільність = 2,5 г / см 3, атомна маса 12,011, температура плавлення 3500 º С, атомний радіус 0,77
. Графіт ─ має шарувату гексагональну решітку. Міжатомну відстань невелика і становить 1,4
; Відстань між площинами 3,4
. У шарах діють сильні ковалентні зв'язки, а між шарами слабкі сили Ван дер Ваальса. (У ковалентного зв'язку сили дорівнюють 700 кДж / г-атом. У силах Ван дер Ваальса ─ 4
9 кДж / г-атом).
Малюнок 3. Сили зв'язку в кристалічній решітці вуглецю
Графіт - м'який, має високу електропровідність, непрозорий і має металевий блиск. У алмазної модифікації - існують лише ковалентні зв'язки. Алмаз - самий твердий матеріал, по ньому порівнюють інші елементи і тверді сплави (у м. Алмазне виробляють вуглецеву сажу).
3. Фази у залізовуглецевих сплавах
У системі Fe ─ C розрізняють такі фази: рідкий сплав, тверді розчини впровадження, хімічне з'єднання, чисті компоненти (графіт).
Тверді розчини:
Ферит (Ф) ─ розрізняють ─ Ф і
─ Ф
─ Ф ─ твердий розчин впровадження вуглецю в
─ Fe (високотемпературному). Гранична розчинність вуглецю 0,1%.
─ Ф ─ твердий розчин впровадження вуглецю в
─ Fe (низькотемпературному). Гранична розчинність вуглецю 0,025% при температурі 727 º С. При кімнатній температурі ферит розчиняє тільки 0,006% С.
Атом вуглецю розташовується в решітці фериту в центрі грані куба, де поміщається сфера радіусом 0,29 R (радіуса атома заліза), а також у вакансіях, і дислокаціях і т.д.
Малюнок 4. Впровадження атома вуглецю в грати фериту
Аустеніт (А) ─ твердий розчин впровадження вуглецю в ─ Fe. Гранична розчинність вуглецю ─ 2,14% при температурі 1147 º С. Атом вуглецю в решітці
─ Fe розташовується в центрі елементарної комірки в якій може поміститися сфера радіусом 0,41 R. ГЦК грати можуть розчинити вуглецю більше, ніж ОЦК.
Малюнок 5. Впровадження атома вуглецю в грати аустеніту
Механічні властивості.
Ферит:
= 250 н / мм 2 (МПа)
= 120 н / мм 2 (МПа)
= 50%,
= 80%
НВ 80-90
Аустеніт: володіє високою пластичністю, низькими межами плинності і міцності.
Пояснення до визначення механічних властивостей.
Дане питання розглядалося з дисципліни опір матеріалів:
Межа міцності:
= P мах / F 0 (Н / мм 2)
Межа текучості:
= P t / F 0 (Н / мм 2)
F 0 ─ початкова площа перерізу зразка (беруть F 0, тому що в перебігу досвіду в процесі деформації перетину змінюється).
Відносне подовження:
=
Відносне звуження:
Y =
Твердість (НВ, HRC, HV) ─ опір металу невеликим пластичних деформацій.
Малюнок 6. Кристалічна решітка цементиту
Цементит (Ц) ─ хімічна сполука заліза з вуглецем ─ карбід заліза Fe 3 C. У цементиті міститься 6,67% С. Цементит має складну ромбічну грати з щільною упаковкою атомів (рис. 6). Температура плавлення цементиту ─ 1250 º С. Магнітні властивості цементит втрачає при 217 º С. Має високу твердість:> 800 НВ, але дуже низьку, нульову пластичність. Цементит ─ з'єднання нестійке і за певних умов розпадається з утворенням вільного вуглецю у вигляді графіту.
4. Структурні складові у залізовуглецевих сплавах
Перліт (П) ─ механічна суміш двох фаз, що утворюються з аустеніту містить 0,81% С нижче температури 727 º С внаслідок евтектоїдних перетворення:
А 0,81% З
Ф 0,025% С + Ц 6,67% З
Перліт (евтектоід)
Перліт (на поверхні полірованого і протравленого мікрошліф) має перламутровий колір, переливається всіма кольорами. Перліт містить 0,81% С. Структура перліту складається з чергуються платівок Ц і Ф.
Малюнок 7. Мікроструктура перліту
Спеціальної обробкою (термічної) може бути отриманий зернистий перліт. Перліт зустрічається в сталях і чавунах.
Ледебурит ─ механічна суміш двох фаз: аустеніту і цементиту, що утворюються в результаті евтектичного перетворення рідкої фази містить 4,32% С при 1147 º С:
Ж 4,32% З
А 2,14% З + Ц (Fe 3 C) 6.37% З
Ледебурит (евтектика)
Малюнок 8. Мікроструктура ледебуріта (відразу після евтектичного перетворення)
Нижче 727 º С аустеніт входить до ледебурит відчуває евтектоїдних перетворення, тобто перетворюється в перліт.
Таким чином, в інтервалі температур:
1147 º С - 727 º С ─ Л (А + Ц);
727 º С - t кімн º С ─ Л (П + Ц).
Ледебурит названий на честь німецького вченого ─ ледебурит.
Література
1. Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. М., 1972, 1980.
2. Гуляєв А.П. Металознавство. М., 1986.
3. Антікайнен П.А. Металознавство. М., 1972.