Практическая работа по УД "Основы материаловедения" на тему: "Исследование диаграммы состояния железо-цементит".

Практическая работа.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ "ЖЕЛЕЗО - ЦЕМЕНТИТ".

СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

Цель работы: исследовать кристаллическое строение металлов, определить основной структурный    

                          состав черных сплавов, исследовать структурный состав металлов и сплавов.

Ход работы:

1. Кристаллическое строение металлов.

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические. Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия.

Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

канифоль	воск	клей

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества.

 

Простые кристаллические решетки:

1 – простая кубическая решетка; 2 –гранецентрированная кубическая решетка;

3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.3), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα )

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 2), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Feγ )

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник (рис. 4):

а) простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру двух оснований (углерод в виде графита);

б) плотноупакованная (ГПУ) – имеются 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: 911°C – ОЦК — Feα ;

911°C < t > 1392°C – ГЦК — Feβ ;

1392°C < t > 1539°C – ОЦК — Feγ ; (высокотемпературное Feα )

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Металлы с одним типом решетки:

Тип решетки	Металл	Название металла
ГЦК	Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni
ОЦК	Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W
ГП	Be,Mg,Zn,Cd

Металлы с полиморфным превращением:

Металл	Название металла	Тип решетки	Температура  превращения, °С
Ca		ГЦК ↔ ГП	450
Ce		ГП ↔ГЦК	477
Zr		ГП ↔ОЦК	882
Ti		ГП ↔ОЦК	882
Fe		ОЦК↔ГЦК↔ОЦК	911, 1 392

2. Диаграмма состояния железо-цементит. Структурные составляющие.

 

Название структуры	Описание структуры	Вид микрошлифа
Феррит	Фаза в железоуглеродистых сплавах, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода в α-железе (Fe), максимальная растворимость составляет 0,02 % углерода (С) и наблюдается при температуре 727 °С. Кристаллическая решетка феррита представляет собой объемно-центрированный куб. На диаграмме состояния Fe - Fe3C чистый феррит располагается левее линии QPG. В зависимости от условий термической обработки феррит может принимать или полигональную форму (нормальный нагрев с последующим медленным охлаждением), или игольчатую форму (перегрев с последующим медленным охлаждением). Полигональный феррит является мягкой, пластичной фазой. Твердость игольчатого феррита несколько выше, чем полигонального. Название образовано от латинского слова ferrum - железо
Аустенит	Одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе. Аустенит получил название по имени английского учёного У. Робертса-Остена (W. Roberts-Austen, 1843—1902). Кристаллическая решётка — куб с центрированными гранями. Немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали.
Цементит	Одна из основных фаз железоуглеродистых сплавов, представляющая собой химическое соединением (карбид железа) состава Fe3C. Из всех фаз в системе железоуглеродистых сплавов цементит обладает наиболее высокой твердостью и очень низкой пластичностью. Концентрация углерода в цементите составляет 6,67 %. Твердость 800 HV, хрупкое химическое соединение. Характеризуется орторомбической кристаллической решеткой. Когда цементит присутствует, как фаза в стали, его химический состав может меняться за счет присутствия марганца и других карбидообразующих элементов. Самое высокое содержание цементита наблюдается в белых чугунах, которые используются в тех случаях, когда требуется высокое сопротивление износу.
Перлит	Одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Перлит — продукт эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули цементита располагаются на фоне зёрен феррита). При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом.
Эвтектика	Мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре.
Графит	Чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Ледебурит	Механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%. При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

	Феррит	Аустенит	Цементит	Графит	Перлит	Ледебурит
Сущность	твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе	твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе	химическое соединение железа с углеродом	чистый углерод	механическая смесь феррита и цементита	механическая смесь аустенита и цементита
Обозначение	Ф или -Fe(C)	А или -Fe(C)	Ц или Fe3C	Г	П = Ф + Ц = Fe?(C) + Fe3C	Л = А + Ц = Fe?(C) + Fe3C
Твердость HB	80-100	160-200	800	3	160	600-700
Содержание углерода	до 0,02%	до 2,14%	6,67%	100%	0,8%	4,3%

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

1.Заполните пропущенные фазовые состояния.

 

4. Ответьте на вопросы:

Какую кристаллическую решетку имеет железо?

Что такое полиморфизм?

Что такое аллотропия?

Что такое аморфность?

5. Решите кроссворд.

По горизонтали
1. Сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 %
3. Сплав железа с углеродом с содержанием не более 2,14 %
6. Общее, собирательное название различного металлического мусора (пришедших в негодность металлических изделий), утилизируемого или не утилизируемого во вторичном металлургическом цикле
7. Элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 25. Обозначается символом Mn
9. Вид полезных ископаемых, природное минеральное образование, содержащее соединения полезных компонентов (минералов, металлов) в концентрациях, делающих извлечение этих минералов экономически целесообразным

По вертикали
2. Химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107 
4. Сплав железа с другими элементами (cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали 
5. Элемент побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Обозначается символом V 
8. Элемент побочной подгруппы шестой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 24 .

6. Распишите марки стали, остальные марки распределите в группы и дайте им названия:   ВСт5сп, М00бк, сталь 20Г, ЛЦ23А6Ж3Мц2,  БрО3Ц7С5Н,  36ХН6А, АЛ 17, КЧ 36,  ВЧ 42, У 7А, БСт3пс

7. В каких координатах строят диаграмму состояния железо — цементит (Fe —Fe3C)?

8.  Нанесите основные линии диаграммы состояния системы Fe — Fe3C. Укажите характерные точки диаграммы, лежащие на этих линиях.

9. Как влияют на механические свойства сплавов структуры: цементит, феррит, перлит и ледебурит? Данные занесите в таблицу.

	Механические
	Прочность	Твердость	Пластичность
Феррит
Цементит
Перлит
Ледебурит

10. Распределите металлы в две колонки и дайте группам название:  алюминий, чугун, медь, олово, сталь, железо, магналий, кремний, сера, хром, фосфор, никель, латунь, цинк, бронза, титан. Какие элементы не вошли в  таблицу, почему?

11. Укажите, при каком содержании углерода ( %) стали являются доэвтектоидными:

а) 2,14...4,3;

б) 0...2.14;

в) 4,3...6,67;

 г) 0...0.8.

12.При каком содержании углерода ( %) стали являются заэвтектоидными?:

а) 0,8...2,14;

б) 0...0.8;

в) 2,14...4,3;

г) 4,3...6,67.

13. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C соответствует началу кристаллизации сплава? ________________________________________________________________

14. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe— Fe3C соответствует окончанию кристаллизации сплава? __________________________________________________________________

15. Каково содержание углерода в чугуне?

16. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией верхних критических точек?

17. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией нижних критических точек? _________________________________________________________________

18.Напишите определения: а) чугун — это_____________ б) сталь — это ________________

19. Чем отличается сталь от чугуна? _______________________________________________