Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления подготовки бакалавров. Ткаченко Ю.С., Симонова Ю.Э

Лабораторная работа № 4 построение кривых охлаждения сплавов железо-цементит

Цель работы: ознакомление с принципами построения диаграмм состояния сплавов, изучение диаграммы состояния железо-цементит и превращений в железоуглеродистых сплавах в равновесных условиях.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: диаграмма железо-цементит

Краткие теоретические сведения

Существует много методов построения диаграммы состояния (дилатометрический, электрический, магнитотермический, термический и др.). Сущность любого из них сводится к нахождению критических точек при нагреве или охлаждении металлов и сплавов. Критическими точками называются температуры, при которых начинаются и/или заканчиваются какие-либо превращения в сплавах. Определив экспериментально критические точки серии сплавов, строят полную диаграмму состояния в координатах "температура – концентрация".

Диаграмма состояния железо-цементит (рис. 5) охватывает сплавы, содержащие углерод в количестве от 0 до 6,67 %^. При содержании 6,67 % углерода он образует химическое соединение с железом Fe₃C – карбид железа, называемый также цементитом. Один из компонентов сплавов – железо – имеет несколько аллотропических модификаций: до 911 °С железо имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку с периодом 0,286 нм, а в интервале температур 911…1392 °С – гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку, а

^{___________________}

^Здесь и далее приведены массовые %.

24

выше 1392 °С – снова объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, но с другим периодом – 0,293 нм.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на техническое железо ( 0,02 % С), углеродистые стали (от 0,02 до 2,14 % С) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % С). Стали в свою очередь подразделяются на доэвтектоидные (0,02-0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С), заэвтектоидные (0,8…2,14 % С).

Чугуны по содержанию углерода классифицируются на доэвтектические (2,14…4,3 % С), эвтектические (4,30 % С), заэвтектические (4,30…6,67 % С).

Процессы, происходящие в сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который носит название правила фаз и выражает зависимость числа степеней свободы системы «с» от количества компонентов «к», фаз «ф» и внешних переменных факторов «n» в условиях равновесия:

с = к + n – ф

При рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура и поэтому n = 1. Система железо-цементит является двухкомпонентной, то есть к = 2. Отсюда следует, что

с = 2 + 1 – ф = 3 – ф

Для построения кривой охлаждения (или нагрева) сплава прежде всего необходимо найти на концентрационной оси диаграммы состояния координату, соответствующую содержанию углерода в сплаве. Затем из найденной точки следует восстановить перпендикуляр до области существования жидкой фазы. Кривая охлаждения (или нагрева) строится справа от диаграммы состояния в координатах температура (ось абсцисс) - время (ось ординат).

Масштаб оси времени произвольный, а масштаб оси температуры такой же, как и на диаграмме состояния.

Во время охлаждения сплава в нем происходят фазовые превращения. Каждое превращение протекает за определенный промежуток времени, поэтому соответствующие им участки кривой охлаждения имеют различные углы наклона по отношению к горизонтальной оси. Чем быстрее происходит превращение, тем круче кривая. Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения идут во времени при постоянной температуре (так как с = 0), следовательно им на кривой охлаждения будут соответствовать горизонтальные участки.

Построение кривой охлаждения рассмотрим на примере чугуна, содержащего 5 % углерода (рис. 5). Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 5 % углерода на оси абсцисс до точки 1, находящейся в области жидкого состояния сплавов. Переносим пунктиром температуру точки 1 на ось температур нашего графика. В точке 1 рассматриваемый сплав находится в жидком состоянии (то есть существует только одна фаза  жидкий раствор углерода в железе), следовательно с = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до точки 2.

Точкой 2 обозначено пересечение нашей вертикали с линией CD диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации цементита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза  цементит, число степеней свободы уменьшается (с = 3 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке кривой 1-2 указываем фазовое состояние сплава “ж” и число степеней свободы, равное 2, соответственно на участке 2-3 фазовое состояние “Ж + Ц”, а число степеней свободы с = 1.

При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.

Точка 3 (пересечение вертикали с линией ECF) соответствует эвтектическому превращению, то есть совместной кристаллизации цементита и аустенита с образованием ледебурита. При этом одновременно существуют три фазы  жидкость, цементит и аустенит, следовательно число степеней свободы с = 3 – 3 = 0, и система нонвариантна, три фазы могут находиться в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждения это отражено отрезком 3-3.

Между точками 3 и 4 сплав имеет двухфазное состояние (аустенит и цементит) и с = 3 – 2 =1. При температуре, соответствующей точке 4, в сплаве происходит эвтектоидное превращение, аналогичное эвтектическому. Отличие только в том, что в нем участвуют только твердые фазы  аустенит, цементит и феррит. На кривой охлаждения делаем соответствующие записи.

Порядок выполнения работы

1. Применяя правило фаз Гиббса, построить кривые охлаждения стали или чугуна по варианту, который выдан преподавателем (табл. 5).

2. Проанализировать фазовые превращения.

3. Сделать вывод.

Таблица 5

Содержание отчета

1. Диаграмма состояния железо-цементит с обозначением критических точек и областей диаграммы.

2. Кривая охлаждения (или нагрева) сплава с заданной концентрацией углерода.

3. Определение феррита, аустенита, перлита, ледебурита и зарисовка их структур.

4. Выводы.

Лабораторная работа № 5 испытания на статическое растяжение

Цель работы: изучение и освоение методики и оборудования для проведения испытаний на статическое растяжение, изучение основных количественных характеристик механических свойств, определяемых при испытаниях на статическое растяжение, и экспериментальное их определение для стальных образцов.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: машина разрывная Р-5, образцы стальные цилиндрические, штангенциркуль, чертилка или кернер.

Краткие теоретические сведения

Рабочая длина образца l – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата (рис. 1).

Начальная расчетная длина образца l_o – участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на которое определяется удлинение (рис. 1).

Конечная расчетная длина образца l_k – длина расчетной части после разрыва образца.

Начальный диаметр образца d_o – диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытания (рис. 1).

Диаметр образца после разрыва d_к – минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва.

Начальная площадь поперечного сечения образца F_o– площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытания.

Площадь поперечного сечения образца после разрыва F_к – минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва.

Предел пропорциональности _пц – напряжение, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука.

Предел упругости _0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от первоначальной длины образца.

Предел текучести физический _т – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки.

Предел текучести условный _0,2 – напряжение, при котором пластическая деформация образца достигает 0,2 % от рабочей длины образца l.

Предел прочности (временное сопротивление) _в – напряжение, соответствующее наибольшему усилию Р_max, предшествующему разрыву образца.

Истинное сопротивление разрыву S_и- напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва к минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва F_к.

Относительное удлинение - отношение приращения расчетной длины образца (l_k - l_o) после разрушения к начальной расчетной длине l_o, выраженное в процентах.

Относительное сужение - отношение разности F_o и минимальной F_к площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F_o, выраженное в процентах.

Нагрузка на образец при статических испытаниях возрастает медленно и плавно или остается постоянной в течение длительного времени. К статическим испытаниям металлов и сплавов относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Методы испытаний на растяжение черных и цветных металлов и изделий из них регламентируется ГОСТ 1497-84.

Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний, так как оно позволяет определять механические свойства материала на всех стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения).

Размеры и типы образцов установлены ГОСТ 1497-84.

Испытания на растяжение проводят на образцах с гладкими зажимными головками (плоскими или цилиндрическими) (рис. 1), используя клиновые зажимные приспособления. Подготовка образцов к испытанию начинается с их контроля (осмотр внешнего вида, оценка шероховатости их поверхности и измерение размеров). Образцы с механическими повреждениями, заусенцами, неправильной маркировкой, а также с размерами, превышающими допустимые, к испытанию не допускаются.

Рис. 6. Цилиндрический образец

Испытание образцов осуществляют на серийно выпускаемых испытательных (разрывных) машинах, которые имеют три основных узла: механизм нагружения, механизм силоизмерения и устройство для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммный аппарат.

Установив образец на машине и выбрав зазоры, медленно и плавно нагружают образец до момента его разрыва. Параллельно с этим записывается диаграмма растяжения, показывающая зависимость между нагрузкой, действующей на образец, и вызываемой ею изменением длины образца.

На рис. 7 показана диаграмма растяжения образца из стали. По оси ординат отложена нагрузка Р, Н, по оси абсцисс – удлинение образца l, мм. На диаграмме отмечено несколько характерных участков: упругой деформации до точки В; равномерной пластической деформации от В до D и сосредоточенной пластической деформации от D до Е. Прямолинейный участок сохраняется до точки Аили нагрузки Р_пц, что соответствует пределу пропорциональности _пц, который определяют по формуле:

, МПа, (1)

где Р_пц – усилие, превышение которого вызывает появление остаточной деформации;

F_o – начальная площадь поперечного сечения образца.

Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от А до В нарушается линейная зависимость между Р и l из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Точке В соответствует усилие Р_упр, при котором остаточная деформация станет равной 0,05 % от начальной расчетной длины образца.

Ордината точки В служит для определения предела упругости:

, МПа, (2)

Рис. 7. Диаграмма растяжения образца

Предел пропорциональности и предел упругости определяют упругие свойства материала.

Ордината точки С, соответствующей течению материала при пластическом деформировании, служит для определения физического предела текучести _т:

, МПа, (3)