Лабораторная работа «Железо-цементит». лабораторная работа №1. Железоцементит
 Скачать 484.6 Kb.
|
|
Лабораторная работа «Железо-цементит» Цель работы: ознакомиться с диаграммой состояния сплавов системы "железо - углерод" (железоуглеродистых сплавов), фазами и структурными составляющими этих сплавов, основными фазовыми и структурными превращениями, протекающими в этих сплавах, а также классификацией сплавов по структуре в соответствии с диаграммой. Порядок выполнения работы и задание 1. Изучить теоретический раздел. 2. Вычертить диаграмму состояния «железо–цементит», подписать точки, линии, поля диаграммы. 3. Привести описание кристаллического строения компонентов - железа и углерода., охарактеризовать их свойства. Дать понятие полиморфизма применительно к железу. 4. Привести буквенное обозначение линий ликвидус и солидус, дать их определение. 5. Дать определения фазам и структурным составляющим сплавов (феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит), привести их механические свойства. 6. Привести уравнения изотермических превращений, происходящих в сплавах (перитектическое, эвтектическое, эвтектоидное). 7. Ознакомиться со строением эвтектоида – перлита и эвтектики – ледебурита (см. альбом структур железоуглеродистых сплавов). 8. Привести определение и классификацию сталей и чугунов по структуре в равновесном состоянии. 9. Для сплава с определенным содержанием углерода в соответствии с заданием привести название сплава и его структуру (например, С=0,4,% - сталь доэвтектоидная со структурой перлит и феррит при комнатной температуре, при температуре 750 оС структура аустенит и феррит). 10. Составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами задания. Диаграмма должна быть вычерчена вручную. Отчет по лабораторной работе отправить на проверку.  Рисунок 1. Диаграмма «железо-углерод» Углерод с железом могут реагировать друг с другом как физически, так и химически. Поэтому в системе Fе - С в зависимости от типа взаимодействия компонентов будут существовать следующие фазы: твердые растворы внедрения, химические соединения и механические смеси, а также чистые компоненты железо и углерод. Степень растворимости углерода в железе определяется первоначальной структурой кристаллической решетки металла. Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка α-железа имеет пустые места (поры) в середине каждого ребра, их двенадцать. Диаметр его составляет 0,62 Å. Если сравнить данное значение с таковым для углерода (0,77 Å), то можно увидеть, что оно практически недоступно для внедряющегося в железо углерода. Поэтому растворимость данного неметалла в α-железе очень низка. При 727 °С в железе растворяется лишь около 0,02 % углерода. От 1392 до 1499 °С максимальная предельная растворимость углерода составляет 0,1 %. При охлаждении раствора до комнатной температуры данное значение снижается до 0,006 %. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка γ-железа в отличие от ОЦК располагает всего одной порой, но с большим диаметром – 1,02 Å. Это позволяет разместиться внедряемому ядру углерода в ней, слегка исказив ее, вызвав небольшое увеличение параметров. При 1147 °С предельная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14 %, а при 727 °С лишь 0,8 % (рис. 2).   а б Рисунок 2. - Схема структуры твердого раствора внедрения: а – при полном заполнении всех пор; б – аустенита Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в α-железе называют ферритом , а в γ-железе – аустенитом. . Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный d-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Углерод в решетке феррита располагается в центре объема куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Углерод в решетке γ-железа располагается в центре элементарной ячейки (рис. 2, б). Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм2 или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна. Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе3С, Fе2С, FеС и другие. Наиболее распространенным и широко применяемым из них является карбид железа среднего состава Fе3С. Стехиометрическое соотношение элементов в нем соответственно равно 3 . Концентрация углерода составляет 6,67 % масс. Кристаллическая решетка карбида железа очень сложная. Она представляет собой орторомбическую структуру с плотной упаковкой структурных единиц (в элементарной ячейке расположено 12 ядерных остовов железа и 4 углерода) и имеет следующие параметры: а = 6,726 Å, b = 5,077 Å, c = 4,515 Å. Характер связи между ядрами железа чисто металлический, а между железом и углеродом ионно-металлический с преобладанием металличности и они оба ведут себя как металлы (рис. 3). Такое строение приводит к тому, что он проявляет металлические признаки: блеск, высокая электропроводность, уменьшающаяся с повышением температуры, легкость образования твердых растворов с металлами. Данное соединение обладает высочайшей твердостью, сравнимой только с алмазом, он легко царапает стекло (НВ более 800 кгс/мм2), но чрезвычайно низкой практически нулевой пластичностью (большой хрупкостью), значительной жаропрочностью и обычно более высокой температурой плавления, чем исходный металл. Эти свойства также являются следствием его особого кристаллического строения. Благодаря своей высокой твердости он был назван цементитом. Из-за его термической и химической неустойчивости температура плавления карбида железа точно не определена в связи с возможностью его распада до чистых элементов: железа и углерода в виде графита. Она принимается примерно равной 1500 °С (1650 °С теоретическая). Однако данный процесс распада имеет важное практическое значение при производстве промышленных чугунов, что будет описано в соответствующих разделах.  Рисунок 3. - Кристаллическая структура цементита Аллотропных видоизменений карбид железа не имеет. До 210 °С цементит ферромагнитен, выше данной температуры он теряет магнитные свойства. Карбид железа способен образовывать твердые растворы замещения, в которых углерод обменивается на такие неметаллы, как азот или кислород, а железо замещается металлами: хромом, вольфрамом, марганцем и другими. Их называют легированными цементитами и описывают брутто-формулой М3С, где буквой М обозначают железо или другие металлы-заместители. Линии диаграммы: АВСВD (линия ликвидус - место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус - место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. |