Скачать 2.46 Mb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Нижневартовский филиал Омского государственного технического университета С.П. Шатило, А.Ю. КовалевМЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО к лабораторным работам по курсу ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВПод редакцией к.т.н.,доцента Шатило С.П. Нижневартовск 2013УДК 621.78 Шатило С.П., Ковалев А.Ю. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Технология конструкционных материалов». Методическое руководство к лабораторным работам предназначено для студентов различных специальностей изучающих курсы «Материаловедение», «Конструкционные материалы» и включает в себя лабораторные работы, посвященные изучению методов исследования структуры, построению и анализу диаграмм состояния, изучению строения различных металлических материалов в разных состояниях, изготовления заготовок и деталей машин из металлов и неметаллических материалов: литьем, обработкой давлением, сваркой, резанием и другими способами Рецензент: д.т.н., профессор Омский государственный технический университет, 2013 Лабораторная работа № 1 Анализ фазовых равновесий в системе железо-углерод Цель работы Изучение диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней. 1. Основные теоретические представления В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; устрновить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач. Компонентами диаграммы состояния являются железо и углерод. Поскольку углерод находится в двух аллотропических модификациях - в виде графита и алмаза, то различают две диаграммы состояния: железо-графит и железо-алмаз. Если первая является стабильной при нормальном давлении, то вторая проявляется полностью при высоких давлениях, когда стабильными становятся неустойчивые карбиды Fe3C, Fe7C3, алмаз. Поскольку известно, что самостоятельными компонентами могут быть устойчивые химические соединения, то диаграмму состояния железо-алмаз, метастабильную при нормальном давлении (т.е. имеющую промежуточное равновесие), можно только условно считать состоящей из диаграммы Fe-Fe3C, Fe3C-Fe7C3, Fе7С3-алмаз. Однако практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5%, охватываемые фрагментом полной диаграммы состояния железо-алмаз - диаграммой состояния металлической системы Fe-Fe3C (железо-цементит), в соответствие с которой кристаллизуются стали и белые чугуны, и которая является предметом данной работы. Железо - металл переходной группы (атомный номер 26, атомная масса 55,85), температура плавления 1539°С, отличается полиморфизмом - ниже температуры 911°С и в интервале 1392-1539°С устойчиво в форме α-модификации (Feα), а в интервале 911-1392°С в форме γ-модификации (Fеγ,). Железо-α имеет объемноцентрированную кубическую решетку (К8), параметр которой при комнатной температуре равен 0,286 нм, ниже температуры 768°С ферромагнитно, а в интервале 768-911°С - парамагнитно. Железо-γ имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12) с параметром 0,386 нм. Высокотемпературная модификация α-железа и γ-железо парамагнитны. Второй компонент - цементит - имеет сложную ромбическую решетку, полиморфизмом не отличается, при температурах ниже 210°С имеет слабо выраженные ферромагнитные свойства. По расчетным данным температура плавления цементита оценивается величиной, равной 1252°С. При взаимодействии железа и углерода в железоуглеродистых сплавах формируются в зависимости от концентрации компонентов и температуры следующие четыре фазы: феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в α -железе; аустенит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в γ-железе; жидкость - неограниченный жидкий раствор углерода в железе (более строгим является использование термина "расплав"); цементит - карбид железа Fe3C с содержанием углерода 6,67%, Структурными же составляющими диаграммы состояния железо-цементит являются 4 однофазных - жидкость, феррит, цементит, аустенит и 2 двухфазных структурных составляющих - перлит и ледебурит. Диаграмма состояния железо-цементит в интервале концентраций от железа до цементита изображена на рис. 1. Линия ABCD - линия ликвидус соответствует насыщенному состоянию жидкости (Ж): на участках АВ и ВС - железом, а на участке CD -углеродом. Линия AHJECFD - солидус определяет насыщенное состояние продуктов кристаллизации • феррита (Ф), аустенита (А) и цементита (Ц). В фазовых областях между линиями HNJ и G5P происходит фазовой перекристаллизация Ф А, причем линии HN и GP определяют насыщение феррита углеродом, а линии NJ и GS -аустенита железом. Линии ES и PQ определяют насыщенное состояние аустенита и феррита углеродом. В соответствии с указанными значениями при охлаждении из исходной фазы выделяется фаза, богатая компонентом, которым насыщена исходная фаза. Например, при температурах линии ES из аустенита выделяется цементит. Рис.1. Диаграмма состояния система железо-цементит Горизонтальные линии НJВ, ECF и PSK указывают на протекание нонвариантных реакций, для которых число степеней свободы С=К+1-Ф=0. Значения координат точек на диаграмме представлены на отдельных ее фрагментах (рис.2 и 3). При кристаллизации всех сплавов с содержанием углерода до 2,14% (последние данные - 2,06%) в определенном интервале температур происходит образование аустенита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 0,025-2,14% называют углеродистыми сталями, более 2,14% - белыми чугунами. Рис.2. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 1...5) Рис.3. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 6…9) 2. Анализ диаграммы состояния железо-цементит Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо- цементит. В сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (сплав 1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 11-21 – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 31-41 фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 21-31 и ниже точки 41 происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показано на рис.4. Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1 При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см, рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 12-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 12 до В, а феррит - от 1`2 до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (Жв) представлено отрезком HJ, а количество феррита состава точки Н (Фн) отрезком Ж При взаимодействии жидкости Жв и феррита Фн образуется аустенит состава точки J(AJ) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал: концентраций углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С). Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2 В сплавах типа 3 (<0,16% С) и 4 (>0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита пли жидкости. Поэтому ниже 1499°С превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.б), а в сплавах типа 4 – первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7). Рис.6. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3 Рис.7. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4 В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 15 до точки 2'5, а аустенита - от точки 1'5 до точки 25. Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 16-26 претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 36, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С). Рис.8, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7 При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см, рис.3) аустенит при температуре 727°С (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см. рис.9). В интервале температур ниже 727°С из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит Цш (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной. Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7 При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см.рис.3) в интервале температур 18-28 происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727°С аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727°С доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой – ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727°С также выделяется третичный цементит Цш. Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ES (точка 19) выделяется цементит (ЦII) и при температуре 727°С, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит. Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная -перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидной – перлитом и избы точным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита. Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8 Рис. 11, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9 Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и заэвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения – смесь цементита и аустенита – ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727°С выделяется вторичный цементит и при температуре 727°С превращается в перлит. Рис. 12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10 В довэтектическом чугуне (см. рис.3., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная, кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.3, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147°С жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит. Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF - 1147°С, всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727°С, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727°С и выделение ферритом третичного цементита ниже 727°С. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений: эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147°С и 727°С (см. рис. 12-14). Рис. 13. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11 Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвгектического – ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом. Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз. Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 311 содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно З11К/РК, а цементита – РЗ11/РК, Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12 |
Лабораторная работа № Лабораторная работа №1. Изучение основных возможностей программного продукта Яндекс. Сервер. Установка окружения, установка и настройка... | Биология 7 класс Отдел Настоящие Грибы. Лабораторная работа №1 «Строение плесневого гриба мукора». Лабораторная работа №2 «Строение дрожжей» | ||
Лабораторная работа «Устройство микроскопа, приёмы пользования им.... Строение растительной клетки. Лабораторная работа «Устройство микроскопа, приёмы пользования им. Клеточное строение растений» | Перечень электронных образовательных ресурсов, разработанных учителем... Увеличительные приборы. Строение светового микроскопа и правила работы с ним. Лабораторная работа «Приготовление препарата клеток... | ||
Лабораторная работа Введение в табличный процессор ms excel’2007... Изменять число рабочих листов можно через опцию Office (в левом верхнем углу экрана), кнопку Параметры Excel, опцию Основные, опцию... | Лабораторная работа №1 По теме ««Изучение Internet в целях использовании... Лабораторная работа предназначена для: обоснования потребности, необходимости и удобства использования среды Internet для поиска... | ||
Лабораторная работа №4 по дисциплине: «Информационно-поисковые системы» Работа заключается в сравнительном изучении заданных глобальных ипс сети Интернет вербального типа | Отчет о лабораторной работе методы и средства анализа данных по теме:... «Лабораторная работа с системой анализа данных Weka. Сравнение методов классификации» | ||
Отчет о лабораторной работе методы и средства анализа данных по теме:... «Лабораторная работа с системой анализа данных Weka. Сравнение методов классификации» | Работа №6 Изучение Тема: лабораторная работа №6 «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям» | ||
Лабораторная работа. Работа в сети Интернет Панели инструментов. Всегда должны быть отмечены опции Строка меню и Адресная Строка | Практикум по курсу Информатика (раздел Работа с пакетами прикладных... Лабораторная работа №6. Обобщение данных. Создание таблицы подстановки. Подведение итогов 28 | ||
Лабораторная работа №10: «Измерение кпд при подъеме тела по наклонной плоскости» Кпд механизмов. Лабораторная работа №10: «Измерение кпд при подъеме тела по наклонной плоскости» | Лабораторная работа №3 «Технологии обработки, автоматизированного реферирования и аннотирования текстов на естественном языке» | ||
Самостоятельная работа обучающегося: 36 часов Аннотации программ учебных дисциплин по специальности 31. 02. 03 Лабораторная диагностика | Название модуля Лабораторная работа "Приготовление раствора с заданной массовой долей растворённого вещества" |