Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Правило фаз (закон фаз, закон Гиббса Гиббс (Gibbs) Джозайя Уиллард -- американский физик-теоретик, один из основоположников термодинамики и статистической механики.) — соотношение термодинамики, согласно которому для любой равновесной системы сумма числа фаз f и вариантности (числа степеней свободы) с равна числу компонентов k, увеличенному на число параметров n, определяющих равновесное состояние системы:

При этом параметры состояния (температура Т, давление р, напряжённость электрического и магнитного полей и др.) должны быть одинаковыми во всех фазах. Если состояние системы может изменяться лишь под действием температуры и давления, причём размеры фаз таковы, что можно пренебречь величиной их поверхностной энергии, то правило фаз выражается формулой

Для конденсированных систем (например, сплавов металлов), где р либо постоянно, либо изменяется так незначительно, что не влияет на состояние равновесия, правило фаз принимает вид:

Именно в таком виде правило фаз используется для построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов (Fe — Fe3C) и анализа превращений.

Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.

В качестве примера проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,3% при медленном охлаждении от 1600 °C (рисунок 1).

Сплав до температуры 1480 °C (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1480 °C с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JE от точки 1' к точке n, а в жидкости — согласно линии ВС от точки 1 к точке k, что можно записать следующим образом:

Составы и количество фаз в этой области диаграммы (точка m) можно определить по правилу отрезков (коноды).

Рисунок 1 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 1,3% при охлаждении

Химический состав жидкой фазы сплава I при температуре, равной температуре точки m, определяется проекцией на ось концентраций точки k, а химический состав аустенита — проекцией на ось концентраций точки n. Количество аустенита А находится по формуле

%,

а количество жидкой фазы Ж — по формуле

%,

где kn -- длина коноды;

km, mn -- отрезки, противолежащие определяемой фазе.

Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1340 °C). В интервале температур 1340…980 °C (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 980 °C (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,3% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 980 до 727 °C изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

При температуре 727 °C (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8% С) распадается на ферритно-цементитную смесь — перлит:

С понижением температуры сплава ниже 727 °C растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, так как сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,3% при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

На рисунках 2 — 8 приведены примеры построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Рисунок 2 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,005% при охлаждении

Рисунок 3 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,01% при охлаждении

Рисунок 4 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,6% при охлаждении

Рисунок 5 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,8% при охлаждении

Рисунок 6 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 3,0% при охлаждении

Рисунок 7 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 4,3% при охлаждении

Рисунок 8 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 5,5% при охлаждении

Углеродистые стали

термодинамика фаза железоуглеродистый сплав

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы «железо — углерод».

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рисунки 9 и 10).

а б

в г

а — сталь 20; б — сталь 40; в — сталь У8; г — сталь У12.

Рисунок 9 — Микроструктура углеродистых сталей

а) 0,15% C б) 0,65% C в) 0,8% C

г) 0,85% C д) 0,91% C е) 1,18% C

Рисунок 10 - Фотографии микроструктур сталей с различным содержанием углерода и различным видом термообработки

По структуре углерода стали делятся на три группы: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,80% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита — уменьшается. Пользуясь правилом рычага, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25% площади шлифа, то содержание углерода будет равно:

%.

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С = 0,008%) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С = 0,008…0,020%). Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: ув = 180… 290 МПа; у0,2 = 90… 170 МПа; д = 30…50%; KCU = 180… 250 Дж/см2; НВ = 45…80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали (ГОСТ 1050−78) применяются для цементируемых изделий машиностроения; среднеуглеродистые стали (сталь 30, 40, 50) в термически обработанном виде — для различных машиностроительных деталей.

Эвтектоидная сталь (содержание углерода — 0,8%), состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: ув = 900 МПа; у0,2 = 600 МПа; д = 15%; ш = 30%; KCU = 20 Дж/см2; НВ = 200.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80…2,14% С. Структура — перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют при изготовлении различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Литература

1. Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов/ Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, Н. Синдеев. — М.: Мир, 2004. — 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1993. — 448 с.

3. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов/ Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И. И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

5. Маркова, Н. Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н. Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

6. Ильина, Л. В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л. В. Ильина, Л. Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой