Методическая разработка открытого урока по материаловедению на тему: Диаграмма "железо-цементит"
методическая разработка

Методическая разработка

открытого урока

тема:   Диаграмма состояния «Железо-цементит»

учебная дисциплина: Материаловедение

специальность: 23.02.07 Техническое обслуживание и ремонт двигателей,

                                            систем и агрегатов автомобилей

разработчик:

Голубина Марина Анатольевна,

преподаватель высшей квалификационной категории

2019 год

Тема урока: Диаграмма состояния «Железо-цементит»

Цели:

Образовательные:

   • Мотивация обучающихся к изучению материаловедения, как одной из базовых профессиональных учебных дисциплин при освоении специальности «Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей».

    • Изучение диаграммы состояния «железоцементит», фазами и структурными составляющими, образующимися в этой системе.

    • Формирование понятия об основных железоуглеродистых сплавах: сталях и чугунах. Изучение структуры сталей и чугунов в равновесном состоянии.

Развивающие:

    • Развитие у обучающихся умения связывать уже имеющиеся знания с вновь приобретенными, умения анализировать и выделять главное в изученном материале.

Воспитательные:  

    • Воспитание устойчивого интереса к профессиональным техническим дисциплинам.

   • Развитие профессиональной грамотности и кругозора, стремления к творческой, познавательной деятельности

Тип: изучение нового материала

Вид: комбинированный урок

Методы:  объяснительно-иллюстративный с  элементами беседы, репродуктивный,   (ИКТ),  проблемно-сообщающие,  частично-поисковые, исследовательский

Оборудование:

•   Компьютер, мультимедиапроектор,  экран;

•   DVD-проектор,  монитор;

•   электронные носители с тематической информацией: компьютерная  

    презентация,  вариант тестового задания.

План проведения занятия

1. Организационный момент

     Сообщение темы и постановка целей урока  

II.     Актуализация знаний

Повторение изученного учебного материала в форме фронтального опроса:

Вопрос 1. Зачем строятся диаграммы фазового равновесия?

 Вопрос 2. В каких координатах строятся диаграммы состояния?

Вопрос 3. Сформулировать понятие «аллотропия».

Вопрос 4. Дать характеристику полиморфных превращений в чистом железе на примере кривой охлаждения железа.

III. Изложение учебного материала по плану.                        

      Изложение нового учебного материала сопровождается демонстрацией презентации.

                                           Лекция по теме:

Диаграмма состояния «Железо-цементит».

         План:

1. Общие сведения о диаграмме состояния «железо-цементит».

2 Фазы и структурные составляющие системы.

3. Первичная кристаллизация.  

4. Вторичная кристаллизация.  

5. Классификация сплавов железа с углеродом.

              Вопрос 1. Общие сведения о диаграмме состояния «железо-цементит».

         В сплавах железа с углеродом существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния: метастабильную – «Fe – Fe3С» и стабильную – «Fe – C». На диаграмме состояния «железо-цементит» даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до 6,67 % углерода, концентрация цементита изменяется от 0 % до 100 % (рис. 1).

                Рис.1.

       На диаграмме «Fe – Fe3С» концентрация углерода (по массе) для характерных точек следующая: Q – 0,006 %, P – 0,02 %, S – 0,8 %, E – 2,14 %, C – 4,3 %, L – 6,67 %.

                  Вопрос 2. Фазы и структурные составляющие системы.

         При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация α-Fe с ОЦК решеткой существует до 910 °С, выше этой температуры образуется модификация γ-Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в α-Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) –  это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в γFe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe3С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe3C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 °С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe3C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите.

Ледебурит – эвтектика, тонкая механическая смесь, которая образуется при одновременной кристаллизация аустенита и цементита.

                      Вопрос 3. Первичная кристаллизация.  

          Первичная кристаллизация - превращение из жидкого состояния в твердое .   Линия ACD — ликвидус, а линия AECF — солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком  состоянии (Ж). По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в γ-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет  находиться смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии CD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы CFD находится смесь  двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц).

Первичная кристаллизация - превращение из жидкого состояния в твердое .   Линия ACD — ликвидус, а линия AECF — солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком  состоянии (Ж). По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в γ-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет  находиться смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии CD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы CFD находится смесь  двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц).

                        Вопрос 4. Вторичная кристаллизация.  

       Превращения в твердом состоянии  (вторичная кристаллизация).
Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.
      В области диаграммы AGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф), a по линии SE — цементита вторичного (ЦII) в отличие от первичного цементита (Ц1), выпадающего из жидкого раствора. В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз — феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEe1 — смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

      Линию GS, соответствующую окончанию превращения феррита в аустенит при нагреве обозначают АС3. При охлаждении аустенита и начале его превращения в феррит линию GS обозначают Аr3.

      Линия SE показывает начало образования в аустените вторичного цементита при охлаждении стали, т. е. это линия предельной растворимости углерода в аустените. Линия обозначается Аcm.

      При температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение – это одновременное выделение двух твердых фаз из исходной твердой фазы: высокотемпературная фаза аустенит состава S распадается одновременно на цементит состава в точке E и феррит состава в точке P, температура сплава остается постоянной до окончания эвтектоидного превращения. Формируется эвтектоид – перлит, среднее содержание углерода в перлите составляет 0,8 %. Линию PSK называют – эвтектоидная горизонталь и обозначают – АС1.
     В точке S весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — э в т е к т о и д
(т. е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (П).

                  Вопрос 5. Классификация сплавов железа с углеродом (рис.2)

Техническое железо – содержит до 0,02%С.
     Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями.

Доэвтектоидные стали  содержат от 0,02%С до 0,8%С.
Эвтектоидные стали содержат 0,8%сС.
Заэвтектоидные стали содержат от 0,8%С до 2,14%С.
     Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода называют чугунами.

Доэвтектические чугуны содержат от 2,14%С до 4,3%С.
Эвтектические чугуны содержат 4.3%С.
Заэвтектические чугуны содержат от 4,3%С до 6,67%С.

                                                                                                                                   Рис.2.

IV. Закрепление, обобщение и систематизация знаний.

     Для обобщения, систематизации  и первичное закрепления учебного материала студентам предлагаются задания для самостоятельной работы:

Задание 1.  Зачем нужно знать диаграмму состояния «железо-цементит»?

Задание 2. В каких координатах строится диаграмма состояния?

Задание 3. Чем отличаются стали от чугунов по химическому составу и свойствам?

V.  Контроль усвоения учебного материала.

Контроль усвоения учебного материала  проводится  в форме тестирования. Работа выполняется в статичных парах с последующей взаимопроверкой выполненных заданий.

                                           Тест.

 1.   Дать определение цементита….

     а) карбид железа, содержащий 6,67% С

     б) карбид железа, содержащий 4,3% С

     в) карбид железа, содержащий 2,14% С

2. Указать на диаграмме точку, соответствующую температуре плавления чистого железа…

          а) точка G (9110C)     б) точка А (15390С       в) точка Е (11470С)

3. Указать на диаграмме точку, соответствующую температуре плавления чистого железа…

        а) точка G (9110C)    б) точка А (15390С      в) точка Е (11470С)

4. По какой линии выделяется первичный цементит (ЦI):

                а) SE     б)  QP      в)  CD

5.  Каково содержание углерода в заэвтектоидных сталях?

         а) от 0,8%С до 2,14%С    б) от2,14%С до 4,3%С

                              в) от 0,02%С до 0,8%С

6.  Какое превращение характерно  для чугунов?

         а) эвтектоидное    б) эвтектическое   в) оба ответа верны

7.  В какой точке происходит перлитное превращение?

         а)  точка С (11470С; 4,3%С)     б) точка Е (11470С;  2,14%С)

                       в)  точка S (7260С; 0,8%С)

8. Указать области на диаграмме, где первичная кристаллизация уже началась, но еще не закончилась…

            а)  АЕС     б)  CDF     в)  оба ответа верны

VI. Подведение итогов урока.  Рефлексия

         Оценка работы студентов.

                                                   Литература:

 1. А.М. Адаскин,  В.М. Зуев  Материаловедение (металлообработка),  М.,  Академия, 2015  

 2.  Н.Н. Воронин, Д.Г. Евсеев, В.В. Засыпкин Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник, «Маршрут», 2016

 3. В.Н.Заплатин, Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов Справочное пособие по материаловедению (металлообработка), Академия, 2017

4. http://fcior.edu.ru