Реферат: 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 А2).
Плотность железа: />= 7,68 г./см3. Структура />и />─ Fe:
/>
/>-Fe─парамагнитно. Зерна />-Feимеют ограненные края с наличием двойников:
/>
/>= 8,0–8,1 г/см3
Точка перехода />в />-Fe(Iполиморфное превращение) обозначается А3=911ºС.
Точка перехода />в />-Fe(IIполиморфное превращение) обозначается А4=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 3500ºС, 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).
--PAGE_BREAK--3. Фазы в железоуглеродистых сплавах
В системе Fe─Cразличают 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 727ºС. 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 1147ºС. Атом углерода в решетке />─ Feрасполагается 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:
/>=Pмах/F(Н/мм2)
Предел текучести:
/>= Pt/F(Н/мм2)
F0 ─ начальная площадь сечения образца (берут F, т. к. в течении опыта в процессе деформации сечения изменяется).
Относительное удлинение:
/>= />
Относительное сужение:
Y= />
Твердость (НВ, HRC, HV)─ сопротивление металла небольшим пластическим деформациям.
/>
Рисунок 6. Кристаллическая решетка цементита
Цементит (Ц)─ химическое соединение железа с углеродом ─ карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 6). Температура плавления цементита ─ 1250ºС. 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:
/>А0,81 % С/>Ф0,025 % С + Ц6,67 % 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 1147ºС:
/>Ж4,32 % С/>А2,14 % С+ Ц(Fe3C)6.37 % С
Ледебурит (эвтектика)
/>
Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения)
Ниже 727ºС аустенит входящий в ледебурит испытывает эвтектоидное превращение, т.е. превращается в перлит.
Таким образом, в интервале температур:
1147ºС – 727ºС ─ Л (А+Ц);
727ºС – tкомнºС ─ 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.