Дисциплина «Материаловедение»

Конспект уроков по теме «Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов»

Урок 1. Тема: Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Цели урока:

Обучающая: сформулировать новые понятия о видах железоуглеродистых сплавов, их составляющих

Развивающая: формировать умение выделять главное и работать с учебной литературой

Воспитывающая: воспитывать работоспособность

Тип урока: урок формирования новых знаний.

Средства обучения:

• Дидактический материал (опорные конспекты, слайды).

Технические средства: мультимедийный комплекс

Межпредметные связи: «Общие основы технологии металлообработки и работ на металлорежущих станках», «Технология обработки на металлорежущих станках»,

Ход урока.

1. Организационно - мотивационный этап - 8 мин.

1.1. Мотивация (важность темы при изучении дисциплины- устно)

1.1.Предварительное определение уровня знаний обучающихся (актуализация по предыдущим темам - устно)

2. Организация самостоятельной деятельности обучающихся по основным вопросам темы- 72мин.

( Учебный материал № 1 , лист с заданием 1.1, «Закрепляющий материал-задание 1.2).

3. Подведение итогов учебной деятельности - 10 мин.

3.1.Проверка степени усвоения изученной информации (лист с заданием 1.3.)

3.2.Оценка учебного занятия

3.3.Домашнее задание

Учебный материал 1

Сплавы железа с углеродом являются основными компонентами так называемых чёрных сплавов- сталей и чугунов, которые служат важнейшими конструкционными материалами в технике. Изучением железоуглеродистых сплавов занимались такие учёные: Ледебур, Аустен, Осмонд, Ле-Шателье, Гудцов, Байков. Учёный Дмитрий Чернов впервые указал на существование критических точек в сплавах и дал первое представление о диаграмме состояния сплавов железа с углеродом.

Сталь- сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14%.

Чугун- сплав железа с углеродом, где углерода от 2,14% до 6,67%.

Сталь и чугун также содержат небольшое количество примесей: полезных - кремний и марганец, вредных - сера и фосфор. Структура и свойства любого сплава зависят, прежде всего, от свойств базового компонента и элементов- добавок, а также от характера их взаимодействия. Рассмотрим свойства основных компонентов железоуглеродистых сплавов

Железо и его свойства - пластичный металл серебристо-белого цвета. При комнатной температуре чистое железо - мягкий пластичный металл с невысокой твердостью (НВ 80). Относительное удлинение 45-55%.Железо имеет две полиморфные модификации: альфа-железо и гамма-железо (Рис. 1).

Рис.1 Кривая охлаждения железа

Альфа-железо магнитно до температуры 768° С (точка Кюри), решётка КОЦ.. При нагреве выше 911°С происходит перекристаллизация: образуется гамма-железо, имеющее решётку КГЦ. В результате дальнейшего нагревания (при температуре выше 1441°С) железо снова меняет свою решётку на КОЦ . Температура 1539°С является температурой плавления чистого железа. При охлаждении все эти процессы протекают в обратном порядке. В результате полиморфных превращений происходит вторичная кристаллизация, являющаяся основной предпосылкой проведения термической обработки. С углеродом железо образует химическое соединение и твёрдые растворы.

Углерод и его свойства - неметаллический элемент. Температура плавления - 3500°С.В природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его очень низкие. Углерод растворим в железе, в жидком и твёрдом состояниях может образовывать химическое соединение- цементит, может находиться в свободном виде - в форме графита.

Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, химические соединения, а также твёрдые растворы. В сплавах железа с углеродом могут образовываться следующие структурные составляющие:

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃C. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и высокой хрупкостью. Цементит неустойчив и в определённых условиях распадается с образованием свободного графита.

Феррит (Ф)- твердый раствор углерода в а- железе. Благодаря малому содержанию углерода свойства феррита близки к свойствам чистого железа - низкая твердость (НВ 80-100) и высокая пластичность(50%).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в у- железе. Имеет твердость НВ 220, непрочный, средняя пластичность(40%).

Перлит (П) - это механическая смесь феррита с цементитом, содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С . Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Цементит придаёт перлиту высокую прочность(800МПа), низкую пластичность(15%).Твёрдость перлита невысокая (НВ160). Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид - это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит (Л) представляет собой эвтектику - механическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Графит - аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах содержится в виде включений различной формы: пластинки, хлопья и шары.

Закрепляющий материал

Задание 1.2

1) Используя учебный материал, заполните таблицу:

Таблица - Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структурные составляющие

Определение

Феррит Ф

Аустенит А

Цементит Ц

Перлит П

Ледебурит Л

Графит Г

2) Ответьте письменно на следующие вопросы.

1. Какие сплавы называют чёрными? Дайте определения этих сплавов.

2. Какие полиморфные модификации имеет железо, какие кристаллические решётки присущи этим модификациям?

3. В каком виде может содержаться углерод в сплавах?

4. Какой учёный дал первое представление о диаграмме железоуглеродистых сплавов?

Проверка степени усвоения Задание 1.3

Вариант 1

1. Какие сплавы называют чёрными сплавами?

2. Какие виды сплавов по характеру взаимодействия компонентов могут

образовывать между собой железо с углеродом?

3. Какой сплав называют сталью?

4. Какая структурная составляющая является эвтектикой?

5. К каким типам сплавов относятся структуры феррит, аустенит, ледебурит, перлит и цементит? Ответ оформите в виде таблицы.

Твёрдые растворы

Химические соединения

Механические смеси

Вариант 2

1. Какие учёные занимались изучением железоуглеродистых сплавов?

2. Какие полиморфные модификации имеет железо?

3. Какой сплав называют чугуном?

4. Какая структурная составляющая является эвтектоидом?

5. К каким типам сплавов относятся структуры, аустенит, перлит и цементит, феррит, ледебурит? Ответ оформите в виде таблицы.

Механические смеси

Твёрдые растворы

Химические соединения

Урок 2. Тема: Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Цели урока:

Обучающая: формировать умения объяснять фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении в соответствии с физико-химическими закономерностями

Развивающая: способствовать развитию логического мышления и умению работать с учебной литературой

Воспитывающая: воспитать настойчивость при изучении нового материала

Тип урока: урок формирования новых знаний.

Средства обучения:

• Дидактический материал (опорные конспекты, слайды).

Технические средства: мультимедийный комплекс

Межпредметные связи: «Общие основы технологии металлообработки и работ на металлорежущих станках», «Технология обработки на металлорежущих станках»,

Ход урока.

1. Организационно - мотивационный этап - 8 мин.

1.1. Мотивация (важность темы при изучении дисциплины - устно)

1.1.Предварительное определение уровня знаний обучающихся (актуализация по теме 1- устно)

2. Организация самостоятельной деятельности обучающихся по основным вопросам темы- 72мин.

( Учебный материал № 2 , «Закрепляющий материал-задание 2.1).

3. Подведение итогов учебной деятельности - 10 мин.

3.1.Проверка степени усвоения изученной информации (лист с заданием 2.2.)

3.2.Оценка учебного занятия

3.3.Домашнее задание

Учебный материал 2

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов - сталей и чугунов.

На рис.2 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит. Диаграмма представлена в упрощённом виде, построена на основе опытов при условии: нагрев-охлаждение ведутся медленно; кроме железа и углерода других элементов нет. Диаграмма показывает фазовый состав и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах, содержит много информации о поведении сплавов при нагреве-охлаждении и необходима для понимания процессов термообработки.

Линия АСД диаграммы является линией ликвидус (начало первичной кристаллизации). Выше этой линии сплавы находятся в расплавленном состоянии. При температурах, соответствующим точкам на этой линии начинается процесс кристаллизации: на участке АС аустенита и СД первичного цементита. Линия AECF является линией солидус диаграммы (окончание первичной кристаллизации). При температурах ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдом состоянии. Линии на диаграмме ниже линии AECF соответствуют превращениям в твёрдом состоянии.

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав Ж- выше линии ликвидус; твёрдые растворы( феррит и аустенит), химическое соединение( цементит).

Линия GSECF - начало вторичной кристаллизации: в связи с уменьшением растворимости с понижением температуры по линиям FД и ЕG происходит выделение вторичных кристаллов. Линия PSK- окончание вторичной кристаллизации.

Точка S на диаграмме с содержанием углерода 0,8% является эвтектоидом и соответственно сталь в этой точке называется эвтектоидной, Сталь с содержанием углерода до 0,8% называется доэвтектоидной, при содержании углерода больше 0,8% сталь называется заэвтектоидной.

Рис 2. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Закрепляющий материал Задание 2.1

Ответьте письменно на вопросы.

1) При каких условиях построена данная диаграмма?

2) Какими буквами на диаграмме обозначается линия ликвидус? В каком агрегатном состоянии находятся сплавы выше этой линии?

3) Какими буквами на диаграмме обозначается линия солидус? В каком агрегатном состоянии находятся сплавы выше этой линии?

4) Какими буквами на диаграмме обозначается линия начала вторичной кристаллизации? Какие изменения происходят со сплавами ниже этой линии?

5) Какими буквами на диаграмме обозначается линия окончания вторичной кристаллизации?

6) Выше какой линии на этой диаграмме весь сплав находится в жидком состоянии?

Проверка степени усвоения Задание 2.2

Вариант 1.

1. Определите по диаграмме температуру плавления чистого железа.

2. Какие параметры являются координатами диаграммы сплава?

3. Как называется линия начала первичной кристаллизации?

4. Что такое солидус?

5. Какие стали называют доэвтектоидными ?

Вариант 2.

1. Что такое ликвидус?

2. Как называется линия окончания первичной кристаллизации?

3. Какие стали называют заэвтектоидными?

4. В чём назначение диаграммы?

5. Какое химическое соединение образовывают железо с углеродом?

Урок 3. Практическое применение диаграммы железо-углерод

Цели урока:

Обучающая: сформировать навык работы по диаграмме сплавов

Развивающая: способствовать развитию умения анализировать и умению работать с учебной литературой

Воспитывающая: воспитание активности

Тип урока: урок усвоения новых навыков, практикоориентированный

Средства обучения:

• Дидактический материал (опорные конспекты, слайды).

Технические средства: мультимедийный комплекс

Межпредметные связи: «Общие основы технологии металлообработки и работ на металлорежущих станках», «Технология обработки на металлорежущих станках»,

Ход урока.

1. Организационно - мотивационный этап - 8 мин.

1.1. Мотивация (важность темы при изучении дисциплины- устно)

1.1.Предварительное определение уровня знаний обучающихся (актуализация по темам 1,2- устно)

2. Организация самостоятельной деятельности обучающихся по основным вопросам темы- 72мин.

( Учебный материал № 3 , лист с заданием 3.1,

3. Подведение итогов учебной деятельности - 10 мин.

3.1.Домашнее задание

Учебный материал 3

Значение диаграммы (рис.2) состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств, сталей и чугунов от содержания углерода, а также определить режимы термической обработки. С помощью диаграммы можно определить температуру плавления, кристаллизации и полиморфных превращений у различных сплавов, а также тип, количество и химический состав фаз в конкретных сплавах при любой температуре. При совместном использовании диаграммы и таблицы 2 «Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов» можно определить механические свойства, и как следствие- обрабатываемость конкретных сплавов. Практическое применение диаграммы и таблицы рассмотрим на примерах.

Таблица 2. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структурные составляю

щие

Определение

Проч-

ность

МПа

Пластич-

ность %

Твёр-

дость, НВ

Примечание

Феррит Ф

Твёрдый раствор С в α -Fe

250

50

80-100

Существует только при С≤0,8% и t≤911˚С

Аустенит А

Твёрдый раствор С в - ﻻ -Fe

≈ 0

40-50

200

Существует только при t>727˚С

Цементит

Химическое соединение Fe3C карбид железа

≈ 0

≈ 0

800

Неустойчив, распадаясь выделяет графит

Перлит П

Механическая смесь Ф + Ц

800

15

160

Эвтектоид для стали.

Ледебурит Л

Механическая смесь А + Ц

≈ 0

≈ 0

600-700

Эвтектика для чугуна

Графит Г

Углерод в свободном виде

≈ 0

≈ 0

≈ 3

Бывает в виде шаров, хлопьев, пластинок.

Пример №1. Используя диаграмму ( Рис.2) и таблицу 2 «Структурные составляющие» определить температуру плавления для сплава Fe и С, где С =0,5%.На координате диаграммы «Содержание углерода» находим точку С=0,5%. Поднимаясь вверх по вертикали, находим точку пересечения с линией АСД, выше которой сплавы переходят в жидкое состояние. Проведя горизонталь на координату «Температура» находим: tпл.=1510˚С.

Пример №2. Определить температуру полного затвердевания (окончания первичной кристаллизации - линия солидус) этого сплава.

По этой же вертикали находим точку пересечения с линией АЕСF- окончания первичной кристаллизации. Проведя горизонталь, получаем: Tок.крист. =1460˚С.

Пример №3. Какое агрегатное состояние имеет этот сплав при t=1100˚С?

Используя эту же вертикаль, проводим горизонталь на t=1100˚С , находим точку пересечения.

Данная точка находится ниже линии солидус (АЕСF), следовательно, сплав в этой точке имеет: твёрдое агрегатное состояние.

Пример №4. Какую структуру и свойства имеет этот сплав в этой точке?

Найденная точка в примере 3, находится в зоне аустенита. По таблице 1 определяем: прочность аустенита 0 , пластичность 40%, твёрдость 200НВ.

Пример №5. Постройте цепочку структурных превращений для этого же сплава при его нагревании.

Используя диаграмму и проведённую вертикаль из точки С =0,5% определяем, что при температуре до 727˚С структура - перлит+феррит, выше 727 до 825˚С - аустенит+феррит, далее до 1460- аустенит, выше начинается расплавление сплава и выше1510˚С -сплав переходит в жидкое состояние. Цепочка структурных превращений выглядит следующим образом:

Ф+П^727˚►А+Ф^825˚►А^1460˚►А+Жидкость^1510˚►Жидкость

Задание 3.1

Используя диаграмму Рис.1 и таблицу 2 определите критические температуры, структуру, свойства, фазовое состояние сплавов и заполните следующую таблицу для сплавов Fe и С.

1 вариант

2 вариант

С =1,5 %

С =0,5 %

t˚ плавления

T˚начала первичной кристаллизации

T˚ окончания первичной кристаллизации

T˚ начала вторичной кристаллизации

T˚ окончания вторичной кристаллизации

Агрегатное состояние при t˚=1100˚С

Свойства в этой точке

Цепочка структурных превращений при нагреве