Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы
Правило фаз (закон Гиббса) в термодинамике, его применение для построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов и анализа превращений. Определение структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига).
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.06.2012 |
| Размер файла | 2,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы
Правило фаз (закон фаз, закон Гиббса Гиббс (Gibbs) Джозайя Уиллард -- американский физик-теоретик, один из основоположников термодинамики и статистической механики.) - соотношение термодинамики, согласно которому для любой равновесной системы сумма числа фаз f и вариантности (числа степеней свободы) с равна числу компонентов k, увеличенному на число параметров n, определяющих равновесное состояние системы:
При этом параметры состояния (температура Т, давление р, напряжённость электрического и магнитного полей и др.) должны быть одинаковыми во всех фазах. Если состояние системы может изменяться лишь под действием температуры и давления, причём размеры фаз таковы, что можно пренебречь величиной их поверхностной энергии, то правило фаз выражается формулой
Для конденсированных систем (например, сплавов металлов), где р либо постоянно, либо изменяется так незначительно, что не влияет на состояние равновесия, правило фаз принимает вид:
Именно в таком виде правило фаз используется для построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов (Fe - Fe3C) и анализа превращений.
Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.
В качестве примера проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,3 % при медленном охлаждении от 1600 °C (рисунок 1).
Сплав до температуры 1480 °C (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1480 °C с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JE от точки 1' к точке n, а в жидкости - согласно линии ВС от точки 1 к точке k, что можно записать следующим образом:
Составы и количество фаз в этой области диаграммы (точка m) можно определить по правилу отрезков (коноды).
Рисунок 1 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 1,3 % при охлаждении
Химический состав жидкой фазы сплава I при температуре, равной температуре точки m, определяется проекцией на ось концентраций точки k, а химический состав аустенита - проекцией на ось концентраций точки n. Количество аустенита А находится по формуле
%,
а количество жидкой фазы Ж - по формуле
%,
где kn -- длина коноды;
km, mn -- отрезки, противолежащие определяемой фазе.
Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1340 °C). В интервале температур 1340…980 °C (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 980 °C (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,3 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 980 до 727 °С изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:
При температуре 727 °C (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8 % С) распадается на ферритно-цементитную смесь - перлит:
С понижением температуры сплава ниже 727 °C растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:
Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, так как сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,3 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.
На рисунках 2 - 8 приведены примеры построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.
Рисунок 2 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,005 % при охлаждении
Рисунок 3 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,01 % при охлаждении
Рисунок 4 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,6 % при охлаждении
Рисунок 5 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,8 % при охлаждении
Рисунок 6 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 3,0 % при охлаждении
Рисунок 7 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 4,3 % при охлаждении
Рисунок 8 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 5,5 % при охлаждении
Углеродистые стали
термодинамика фаза железоуглеродистый сплав
Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы «железо - углерод».
Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рисунки 9 и 10).
а б
в г
а - сталь 20; б - сталь 40; в - сталь У8; г - сталь У12.
Рисунок 9 - Микроструктура углеродистых сталей
а) 0,15 % C б) 0,65 % C в) 0,8 % C
г) 0,85 % C д) 0,91 % C е) 1,18 % C
Рисунок 10 - Фотографии микроструктур сталей с различным содержанием углерода и различным видом термообработки
По структуре углерода стали делятся на три группы: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,80 % углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита - уменьшается. Пользуясь правилом рычага, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, приближенно определить содержание углерода в стали.
Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то содержание углерода будет равно:
%.
Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С = 0,008 %) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С = 0,008…0,020 %). Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: ув = 180… 290 МПа; у0,2 = 90… 170 МПа; д = 30…50 %; KCU = 180… 250 Дж/см2; НВ = 45…80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали (ГОСТ 1050-78) применяются для цементируемых изделий машиностроения; среднеуглеродистые стали (сталь 30, 40, 50) в термически обработанном виде - для различных машиностроительных деталей.
Эвтектоидная сталь (содержание углерода - 0,8 %), состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: ув = 900 МПа; у0,2 = 600 МПа; д = 15 %; ш = 30 %; KCU = 20 Дж/см2; НВ = 200.
Заэвтектоидные стали содержат 0,80…2,14 % С. Структура - перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.
Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют при изготовлении различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.
Литература
1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.
2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1993. - 448 с.
3. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.
4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. - 268 с.
5. Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.
6. Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Общие понятия анализа диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, исследование свойства фаз и структурных составляющих. Технология построения кривых охлаждения и нагрева сплавов, определение составов фаз и расчет их количественного соотношения.
лабораторная работа [242,2 K], добавлен 01.12.2011Составление диаграммы состояния железо-цементит с указанием структурных составляющих во всех ее областях. Построение кривой охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,5 % углерода. Определение температуры полного и неполного отжига.
контрольная работа [3,7 M], добавлен 03.12.2010Определение причин и описание механизма необратимости пластичной деформации металлов. Изучение структурных составляющих сплавов железа с углеродом, построение кривой охлаждения сплава. Описание процессов закаливаний углеродистых сталей, их структура.
контрольная работа [596,1 K], добавлен 18.01.2015Построение кривых охлаждения для сплавов с заданным количеством углерода с использованием диаграммы железо-цементит. Состав, свойства и примеры применения легированных сталей, чугуна, высокопрочного сплава. Термическая обработка деталей. Газовая сварка.
контрольная работа [277,4 K], добавлен 01.03.2016Микроструктура и углеродистых сталей в отожженном состоянии, зависимость между их строением и механическими свойствами. Изучение диаграммы состояния железо - углерод. Кривая охлаждения сплавов. Структура белого, серого, высокопрочного и ковкого чугуна.
презентация [1,5 M], добавлен 21.12.2010Структура сталей и белых чугунов. Выбор температуры в двухфазной области и определение содержания углерода в фазах. Структурные составляющие, встречающиеся в сплавах. Кривая охлаждения сплава. Принципы выбора температур для полного и неполного отжига.
контрольная работа [552,8 K], добавлен 25.11.2012Классификация углеродистых сталей по назначению и качеству. Направления исследования превращения в сплавах системы железо–цементит и сталей различного состава в равновесном состоянии. Определение содержания углерода в исследуемых сталях и их марки.
лабораторная работа [1,3 M], добавлен 17.11.2013Диаграммы состояния и кристаллизация металлических сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Методы построения диаграмм состояния. Правило фаз Гиббса. Кристаллизация сплавов и твердых растворов. Правило концентраций и отрезков.
контрольная работа [122,1 K], добавлен 12.08.2009Методика построения диаграмм состояния. Специфика их использования для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Особенности определение температуры кристаллизации сплава. Кривые охлаждения сплава Pb-Sb, применение правила отрезков.
презентация [305,4 K], добавлен 14.10.2013Фазы в железоуглеродистых сплавах: аустенит, феррит, цементит. Структурные составляющие в сталях. Микроструктура стали и схема ее зарисовки. Схема строения перлита. Микроструктура углеродистых сталей после отжига. Состав и структура эвтектоидной стали.
реферат [960,5 K], добавлен 12.06.2012
