Методическая разработка практического занятия "Диаграмма состояния "железо-цементит"
методическая разработка

МЕТОДИЧЕСКАЯ  РАЗРАБОТКА

                                                           ОТКРЫТОГО УРОКА

по учебной дисциплине Материаловедение»

 специальность 23.02.07. Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобиля

                                                          Практическое занятие

«Диаграмма состояния «железо – цементит».

Разработчик:  Голубина М.А.

2020 г.

Приложение 1.

Практическое занятие №2.

Тема: «Диаграмма состояния «железо – цементит».

Теоретическое обоснование

Диаграммы фазового равновесия, или диаграммы состояния, в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним.

Диаграммы  железо—углерод являются фундаментом науки о стали и чугуне. Углерод с железом образует устойчивое химическое соединение цементит или может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Соответственно существуют две диаграммы состояния сплавов железа—углерод: цементитная и графитная.                  

Рис.4. Диаграмма состояния

«железо-цементит».

       На рис. 4   приведен упрощенный вид  цементитной диаграммы. Наибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении — цементите. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой — цементит Fe3C.

Превращение из жидкого состояния в твердое  (первичная кристаллизация).   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). В точке С  при массовом содержании С 4,3 % и температуре 1147 °С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием С от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14 %). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания представляют один аустенит. Эти сплавы относятся к группе стали.

 Превращения в твердом состоянии  (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK и CPQ 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) — твердого раствора углерода в α-железе, a по линии SE — цементита. Этот цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным (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. В точке S при массовом содержании углерода 0,8 % и при температуре 727 °С 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). Сталь, содержащая 0 8 % С, называется эвтектоидной, менее 0,8 % — доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14 % С — заэвтектоидной.

При охлаждении сплавов по линии PSK происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия PSK называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения.

   Чтобы систематизировать полученную информацию, сравним между собой превращения в точках С и S диаграммы (рис. 4), Можно отметить следующее:

1. выше точки С находится жидкий раствор, выше точки S — твердый раствор — аустенит;
2. в точке С сходятся ветви АС и CD, которые указывают на начало выделения кристаллов из жидкого раствора (первичной кристаллизации); в точке S сходятся ветви GS и SE, указывающие на начало выделения кристаллов из твердого раствора (вторичной кристаллизации);
3. в точке С жидкий раствор, содержащий 4,3 % С, кристаллизуется с образованием эвтектики — ледебурита; в точке S твердый раствор, содержащий 0,8 % С, перекристаллизуется с образованием эвтектоида — перлита; на уровне точки С лежит прямая EF эвтектического (ледебуритного) превращения, на уровне точки S — прямая РК эвтектоидного (перлитного) превращения.  

   Необходимо обратить внимание на то, что при медленном охлаждении в каждый  момент кристаллизации состав самих кристаллов выравнивается путем диффузии.  При быстром охлаждении состав внутри кристалла выравниваться не успевает и внутренние части кристалла содержат больше  тугоплавкого компонента, чем внешние.  Это явление называют внутрикристаллической ликвацией.

                                                         Приложение 2.

                                                                 Задание

к практическое занятию №2.

Тема: «Диаграмма состояния «железо – цементит».

o 2.1. Заштрихуйте на диаграмме участки первичной кристаллизации сплавов.  

                          Рис. 1. Диаграмма «Fe-Fe3C»

o 2.2. Подпишите название следующих линий диаграммы (рис.1):

ACD- ______________________________            AECF- _____________________________

⮚  2.3. Подпишите обозначение фаз диаграммы (рис.1):

А-_______________________________;             Ж- ______________________________;

Ф- _______________________________;            П- ______________________________;

Л- _______________________________;             Fe3C (Ц) - ________________________.

o 2.4. Укажите на диаграмме точки эвтектического превращения ( __ ) и эвтектоидного превращения  ( ___ ) .

o 2.5. Укажите минимальную температуру существования аустенита: ______________

o 2.6.  На диаграмме продолжите одну из линий 1, 2, 3 (сверху), которая, по вашему мнению, разделяет сталь от чугуна, а также укажите значение концентрации углерода по данной линии разграничения _______%С (рис.2).

 Рис.2.

⮚ 2.7.  Соедините стрелками линии диаграммы, соответствующие выделению  

                первичного, вторичного и третичного цементита  (рис.1).

                                               Ц (I)                       линия SE  

                                   Ц (II)                      линия PQ

                                               Ц (III)                    линия CD

o   2.8.  В чем отличие α-железа и γ-железа? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

⮚  2.9. Назвать сплав  железа с углеродом, содержащий 1,0%С  и дать характеристику структуры сплава ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

o    2.10. Определите термин: _______________________ - это твердый раствор внедрения  

               углерода в α-железе

⮚ 2.11. Назвать сплав  железа с углеродом, содержащий 3,5%С  и дать характеристику структуры сплава ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

o     2.12.  Дайте определение: ледебурит – это _________________________________________

_____________________________________________________________

Задание выполнил:  __________________________________________

                                                                         ФИО студента

Работу проверил: _________________________    Оценка:  ___________________

                                                              ФИО студента

            Оценка за работу:         ____________________________

                                                                                  преподаватель

          Оценка за проверку:  __________________________

                                                                                 преподаватель