Рефетека.ру / Промышленность и пр-во

Контрольная работа: 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. Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

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 1539є С. Известно три модификации железа: Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов(Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов ─ Fe, Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe, Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовСтроение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe).

Собственно Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов железо ─ имеет одно кристаллическое строение; Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ высокотемпературная модификация, существует в интервале 1392─1539єС; Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов― низкотемпературная модификация, существует ниже 911єС; Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ существует в интервале 911 ─ 1392єС

Устойчивость определенной фазы диктуется более низкой свободной энергией. Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe имеет ОЦК решетку; Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe имеет ОЦК решетку; Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe имеет ГЦК решетку.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

Рисунок 1. Связь свободной энергии с типом кристаллической решетки железа


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов-Fe ─период решетки 2,8606Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов; до температуры 768єС ─ ферромагнитно (магнитного). Точка перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (обозначают А2).

Плотность железа: Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов= 7,68 г./см3. Структура Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавови Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов ─ Fe:


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов-Fe ─парамагнитно. Зерна Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов-Fe имеют ограненные края с наличием двойников:

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов= 8,0–8,1 г/см3

Точка перехода Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовв Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов-Fe (I полиморфное превращение) обозначается А3=911єС.

Точка перехода Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов-Fe (II полиморфное превращение) обозначается А4=1392єС.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

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 Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов= 2,5 г/см3, атомная масса 12,011, температура плавления 3500є С, атомный радиус 0,77Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. Графит ─ имеет слоистую гексагональную решетку. Межатомное расстояние небольшое и составляет 1,4Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов; расстояние между плоскостями 3,4Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. 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 ─ 4Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов9 кДж/г-атом).


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

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 Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Ф и Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Ф

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовФ ─ твердый раствор внедрения углерода в Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe (высокотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,1%.

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовФ ─ твердый раствор внедрения углерода в Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов ─ Fe (низкотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,025% при температуре 727є 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.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

Рисунок 4. Внедрение атома углерода в решетку феррита


Аустенит (А) ─ твердый раствор внедрения углерода в Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe. Предельная растворимость углерода ─ 2,14% при температуре 1147є С. Атом углерода в решетке Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов─ Fe располагается в центре элементарной ячейки в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R. ГЦК решетка может растворить углерода больше, чем ОЦК.

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

Рисунок 5. Внедрение атома углерода в решетку аустенита


Механические свойства.

Феррит:

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов =250 н/мм2 (МПа)

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов = 120 н/мм2 (МПа)

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов=50%, Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов = 80%

НВ 80–90

Аустенит: обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

Пояснения к определению механических свойств.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов


Данный вопрос рассматривался по дисциплине сопротивление материалов:

Предел прочности:

Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов=Pмах/F0 (Н/мм2)


Предел текучести:


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов= Pt/F0 (Н/мм2)


F0 ─ начальная площадь сечения образца (берут F0, т. к. в течении опыта в процессе деформации сечения изменяется).

Относительное удлинение:


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов= Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов


Относительное сужение:


Y = Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов


Твердость (НВ, HRC, HV)─ сопротивление металла небольшим пластическим деформациям.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

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 ─ 1250є С. Магнитные свойства цементит теряет при 217єС. 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 єС в результате эвтектоидного превращения:


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовА0,81 % ССтроение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов 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.


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

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 1147є С:


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовЖ4,32 % ССтроение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавовА2,14 % С + Ц(Fe3C)6.37 % С

Ледебурит (эвтектика)


Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения)


Ниже 727є С аустенит входящий в ледебурит испытывает эвтектоидное превращение, т.е. превращается в перлит.

Таким образом, в интервале температур:

1147є С – 727є С ─ Л (А+Ц);

727є С – tкомн є 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.

Рефетека ру refoteka@gmail.com