Презентация на тему "Диаграмма состояния железо-цементит" к уроку по материаловедению

Слайд #1

Тема урока
Диаграмма состояния железо-цементит

Слайд #2

Диаграмма состояния Fe–Fe3C

Слайд #3

3
Характеристика железа
Fe –ферромагнитный переходный полиморфный металл, серебристо-светлого цвета с порядковым номером 26.
Температура плавления чистого Fe 1539°С. Плотность при комнатной температуре 7,68 г/см3.
Техническое Fe содержит не более 0,02 % С.

Слайд #4

4
Характеристика углерода

Углерод относится к неметаллам.
Обладает полиморфным превращением,в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой(температура плавления – 5000 °С).

Слайд #5

Характеристика фазовых составляющих
Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

Слайд #6

Характеристика фазовых составляющих
Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

Слайд #7

Характеристика фазовых составляющих
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью.

Слайд #8

Характеристика фазовых составляющих
Графит - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

Слайд #9

Характеристика фазовых составляющих
Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160

Слайд #10

Характеристика фазовых составляющих
Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость

Слайд #11

Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% -чугуном.

Слайд #12

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Слайд #13

Железоуглеродистые сплавы
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на две группы:
Стали: а) доэвтектоидные ( 0,8 % > С > 0,02 %);
б) эвтектоидные (С ≈ 0,8 %);
в) заэвтектоидные ( 2,14 % > С > 0,8 %);

2. Чугуны: а) доэвтектические
(4,3 % > С > 2,14 %);
б) эвтектические (С ≈ 2,14 %);
в) заэвтектические (6,67 % > С > 4,3 %).
13

Слайд #14

Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.
CD – линия выделения первичного цементита.

Слайд #15

Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C
AE – заканчивается кристаллизация аустенита.
ECF – линия эвтектического превращения.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
.

Слайд #16

16



GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.
ES – линия выделения вторичного цементита.
PQ – линия выделения третичного цементита.


Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C

Слайд #17

17
Характеристика точек диаграммы Fe–Fe3C
А – точка плавления – кристаллизации чистого железа.
Температура 1539 °С,


С – эвтектическая точка, температура 1147 °С, концентрация
углерода – 4,3 % (содержание углерода в жидком растворе,
находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом
при эвтектическом превращении).

D – точка, соответствующая температуре плавления цементита, ее положение на диаграмме не определено, так как цементит –
термодинамически неустойчивая фаза и при плавлении разлагается на железо и графит.

Слайд #18

18

G – точка полиморфного превращения в чистом железе α↔γ (911 °С),
соответствует для чистого железа критической точке А3.

Е – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените,
Является границей между сталями и чугунами.
Р – точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся
в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектической
температуре (727 °С), содержание углерода – 0,02 %.
Эта точка определяет техническое железо в стали.
S – эвтектоидная точка, температура 727 °С, концентрация
углерода – 0,8 % (содержание углерода в твердом растворе,
находящемся в равновесии с ферритом и цементитом
при эвтектоидном превращении).
Характеристика точек диаграммы Fe–Fe3C

Слайд #19

Структура технического железа

Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен.
Структурные составляющие:
феррит и цементит третичный (Ф+ЦIII).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 80-100 НВ
х 300
х 100

Слайд #20

Доэвтектоидная сталь
Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование перлита – двухфазной структуры, формирующейся при эвтектоидном превращении. Перлит состоит из двух фаз: феррита и цементита и имеет суммарное содержание углерода 0,8%.. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличением содержания углерода.

Слайд #21

Структура низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (0,2% углерода)
Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 110-120 НВ
х 300

Слайд #22

Структура среднеуглеродистой доэвтектоидной стали марки 45
(0,45% углерода)
С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 140-160 НВ
х 300

Слайд #23

Структура доэвтектоидной стали с
0,6% углерода
Основная структурная составляющая – перлит с небольшими участками феррита. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твердость стали.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 160-170 НВ
х300

Слайд #24

Эвтектоидная сталь
В стали, содержащей 0,8% углерода, получается чисто перлитная структура, поскольку этот состав является, согласно диаграмме равновесия, эвтектоидным.

Слайд #25

Структура эвтектоидной стали марки У8
Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф).
Структурные составляющие:
перлит (П)
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).
Твердость по Бринеллю 180-200 НВ
Х 300

Слайд #26

Структура пластинчатого перлита при различном увеличении
X 1000
X 5000
Хорошо видны чередующиеся пластинки феррита и цементита (а) и (б), а также место стыка бывших аустенитных зерен (б).
а)
б)

Слайд #27

Заэвтектоидная сталь
Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который может выделяться по границам зерен перлита. Цементитная сетка является значительным дефектом заэвтектоидной стали, приводящим к снижению ее прочности и вязкости.

Слайд #28

Структура заэвтектоидной стали марки У12 (1,2% углерода)
Структура состоит из пластинчатого перлита (П), окруженного светлой сеткой избыточного цементита (Ц), выделившегося по границам бывшего аустенитного зерна.
Структурные составляющие:
перлит и цементит вторичный (П+ЦII).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ
х 300
х 300

Слайд #29

Структура заэвтектоидной стали
с 1,3% углерода
Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки.
Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше.

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ
х 300

Слайд #30

Белый чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита (Fe3C). По химическому составу и структуре чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Слайд #31

Доэвтектический белый чугун

В структуре доэвтектического белого чугуна наряду с аустенитом, образованным при первичной кристаллизации, и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика – ледебурит, количество которой возрастает с увеличением содержания углерода.

Слайд #32

Структура низкоуглеродистого доэвтектического белого чугуна
с 3,3% углерода
Темные участки распавшегося (на перлит) избыточного твердого раствора аустенита (А) и пестрая эвтектика –распавшийся ледебурит - между ними. Внутри распавшегося аустенита видны светлые выделения вторичного цементита (ЦII).
Структурные составляющие:
аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII).
Фазы: Феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1 фазы: аустенит (-фаза) и цементит.

х 300

Слайд #33

Структура доэвтектического белого чугуна с 4,0% углерода
Большое увеличение позволяет увидеть внутри распавшегося аустенита светлые выделения вторичного цементита (ЦII) в виде сетки по границам зерен.
Структурные составляющие:
аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1 фазы – аустенит (-фаза) и цементит.

х 600

Слайд #34

Эвтектический чугун
(4,3% углерода)
Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр), представляющей собой равномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита (А) и светлые участки цементита (Ц).
Структурные составляющие:
эвтектика (Лр).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1- аустенит и цементит
Твердость по Бринеллю 500-520 НВ
х 300

Слайд #35

Структура эвтектического чугуна
(примеры строения ледебурита)
х 300
х 300

Слайд #36

Заэвтектический чугун
Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит) и первичного цементита,выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин.

Слайд #37

Заэвтектический чугун
(5% углерода)
Белые пластинки избыточного первичного цементита (ЦI) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Лр ) между ними.
Структурные составляющие:
эвтектика (ледебурит распавшийся) и цементит первичный (Лр+ЦI).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).

Твердость по Бринеллю 630-650 НВ
х 100
х 700

Слайд #38

Изменение микроструктуры
и свойств сталей
с увеличением количества углерода
38

Слайд #39

Практическое применение диаграммы

Слайд #40

Обрабатываемость резанием.
С увеличением прочности и твердости, то есть с повышением содержания углерода в стали, обрабатываемость ухудшается. Однако и стали с очень малым содержанием углерода, со структурой почти чистого феррита обрабатываются плохо, давая низкую чистоту поверхности.

Слайд #41

Штампуемость.
Штампуемость ухудшается по мере повышения прочностных свойств стали, особенно предела текучести.

Слайд #42

Свариваемость.
Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем легче образуются горячие трещины. Интервал кристаллизации возрастает с увеличением содержания углерода. Поэтому с повышением содержания углерода свариваемость ухудшается.

Слайд #43

Литейные свойства стали.
Литейные свойства стали ухудшается при увеличении содержания углерода. Поэтому для литья используют обычно стали с содержанием углеродов до 0,4% С.

Слайд #44

Закрепление изученного
материала
Вопрос 1
Укажите линию ликвидус
1) PSK
2) ACD
3) ECF
4) SE

Слайд #45

Вопрос 2
Укажите линию солидус
1) ACD
2) AECF
3) PSK
4) ECF

Закрепление изученного материала

Слайд #46

Вопрос 3
Укажите содержание углерода в цементите
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%

Закрепление изученного
материала

Слайд #47

Вопрос 4
Укажите содержание углерода в эвтектоиде
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%

Закрепление изученного
материала

Слайд #48

Вопрос 5
Укажите содержание углерода в эвтектике
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%
 

Закрепление изученного
материала

Слайд #49

Вопрос 6
Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в α- железе?
1) перлит
2) цементит
3) феррит
4) аустенит

Закрепление изученного
материала

Слайд #50

Вопрос 7
Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ- железе?
1) феррит
2) цементит
3) аустенит
4) ледебурит
 

Закрепление изученного
материала

Слайд #51

Вопрос 8
Как называется структура представляющая собой карбид железа Fe3C?
1) феррит
2) аустенит
3) ледебурит
4) цементит

Закрепление изученного
материала

Слайд #52

Вопрос 9
Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита?
1) перлит
2) δ-феррит
3) аустенит
4) ледебурит

Закрепление изученного
материала

Слайд #53

Вопрос 10
Как называется структура, представляющая собой механическую смесь аустенита и цементита?
1) перлит
2) феррит
3) ледебурит
4) δ -феррит

Закрепление изученного
материала

Слайд #54

Вопрос 11
Температура плавления железа?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Слайд #55

Вопрос 12
Температура плавления цементита?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Слайд #56

Вопрос 13
Температура плавления цементита?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Слайд #57

Вопрос 14
Сколько кристаллических модификаций может образовывать чистое железо:
А) пять
Б) четыре
В) три 
Г) две

Закрепление изученного
материала

Слайд #58

Вопрос 15
Сплав, образующийся при температуре 727°С и содержащий 0,8% углерода, называется:
А) перлит
Б) феррит 
В) аустенит 
Г) эвтектика

Закрепление изученного
материала

Слайд #59

Вопрос 16
Доэвтектический белый чугун – это сплав, с содержанием углерода:
А) до 0,8% 
Б) от 0,8% до 2,14%
 В) от 2,14% до 4,3% 
Г) выше 4,3%

Закрепление изученного
материала

Слайд #60

Вопрос 17
Что означает линия «солидус» на диаграмме фазового равновесия двойных сплавов?
Линию конца кристаллизации
Линию начала кристаллизации
Линия аллотропического превращения
Линию эвтектического превращения


Закрепление изученного
материала

Слайд #61

Вопрос 18
Какие железоуглеродистые сплавы называются сталями?
Содержание углерода более 0,8 %
Содержание углерода более 4,8%
Содержание углерода не более 2,14%
Содержание углерода более 0,002%

Закрепление изученного
материала