Министерство образования и науки Хабаровского края
Краевое государственное бюджетное
профессиональное образовательное учреждение
«Хабаровский дорожно-строительный техникум»
(КГБ ПОУ ХДСТ)
План – конспект
урока по теме: «Определение фазового состава железоуглеродистой системы»
в группах 2 курса по специальности 23.02.07 Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей.
Автор урока: Гридасова Анастасия Владимировна, преподаватель.
Предмет: Материаловедение.
Класс: студенты 2 курса по специальности 23.02.07 Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей
Цель урока: усвоение новых знаний для определения фазового состава железоуглеродистой системы, применение правила отрезков, правила концентраций на диаграмме состояния «Железо-цементит».
Задачи урока:
- Образовательные:
закрепить знания о диаграмме состояния железо-цементит;
изучить
правила отрезков и правило концентраций, определить область и
х
применения
для расчета массовых долей фаз
;
научить
студентов
определять фазовый состав железоуглеродистой системы
при заданной температуре и концентрации углерода
;
закрепить полученные знания и навыки
применения изученных правил
.
- Развивающие:
развить навыки анализа, сравнения и обобщения информации;
развить логическое мышление и умение решать практические задачи.
- Воспитательные:
воспитывать внимательность, аккуратность и ответственность при выполнении заданий;
формировать интерес к изучаемой дисциплине и будущей профессии;
Методы урока: объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, практический.
Литература: базовый учебник «Материаловедение» 4-е издание, переработанное и дополненное В.В. Плошкин, Москва «Юрайт», 2024 г.
Ход занятия:
Организационный момент
. Приветствие студентов и проверка их готовност
и
к уроку.
Актуализация знаний
. Постановка вопросов о том, что студенты уже знают о диаграммах состояния сплавов
, критических температурах и полиморфных состояниях компонентов диаграммы
.
Объяснение нового материала
. Рассказ о
правилах отрезков и концентрации
,
особенностях их применения.
Основные понятия и определения.
Решение задач с заданной концентрацией углерода, температуры.
Практическое задание
. Построение диаграммы железо-цементит
, решение задач на определение фазового состава железоуглеродистой системы применяя изученные правила.
Объяснения как правильно это сделать.
Проверка понимания материала
. Постановка вопросов, чтобы убедиться, что ученики поняли материал.
Рефлексия
. Опрос студентов, что они узнали на уроке и что им понравилось.
Самостоятельное выполнение типовых заданий
. Студенты выполняют задания на
решение задач по изученной теме
. Контроль процесса и оказание помощи, если возникают трудности.
Итоги урока
.
Подведение итогов
урока, оценивание работы студентов и выставление оценок.
Ожидаемые результаты после проведения урока:
Студенты усвоили новые знания о диаграмме железо-цементит и научились
определять фазовый состав железоуглеродистой системы с применением изученных правил отрезков и концентрации.
Студенты закрепили полученные знания и навыки.
План урока:
Этап урока
Время
Деятельность преподавателя
Деятельность студентов
Методы и приемы
Примечание
1. Организационный момент
2
Приветствие, проверка присутствующих, проверка готовности к уроку.
Подготовка к уроку, приветствие преподавателя
Визуальный контроль
2. Актуализация знаний, повторение пройденного материала
5
Опрос по вопросам.
Отвечают на вопросы, вспоминают ключевые понятия
Фронтальный опрос, беседа
Использование доски для демонстрации ключевых понятий
3. Мотивация учебной деятельности. Постановка цели и задач урока
3
Объяснение значимости умения определять фазовый состав для понимания свойств и выбора материалов. Формулировка цели и задач урока
Осознание необходимости изучения темы, принятие целей и задач урока
Беседа, проблемная ситуация (примеры применения знаний в профессии)
Привести примеры из реальной практики применения знаний о фазовом составе (термическая обработка стали, выбор чугуна для отливок и т.д)
4. Изучение нового материала (лекция с элементами беседы)
15
Краткий обзор диаграммы состояния железо-цементит (напоминание основных линий и областей), подробное объяснение алгоритма определения фазового состава в двухфазных областях. Объяснение правила отрезков (правила рычага) и правила концентрации. Демонстрация решения задачи с подробным объяснением каждого шага
Слушают, конспектируют, задают вопросы
Лекция, объяснение с использованием слайдов презентации, наглядная демонстрация на диаграмме железо-цементит
Использовать доску для наглядной демонстрации расчетов перемещения по диаграмме
5. Первичное закрепление материала
10
Выдача бланков с заданием (определение фазового состава для разных сплавов и температур). Оказание индивидуальной помощи студентам при необходимости. Контроль за правильностью выполнения заданий.
Самостоятельное решение задач с применением изученных правил. Решение одной из задач у доски с подробным объяснением
Практическая работа, индивидуальная консультация
Предусмотреть задания разной сложности для дифференци-
рованного подхода
6. Закрепление материала. Обсуждение результатов практической работы
5
Разбор типичных ошибок, допущенных при решении задач. Ответы на вопросы студентов
Анализируют свои ошибки, задают вопросы, участвуют в обсуждении
Фронтальная работа, объяснение.
7. Подведение итогов урока. Рефлексия
3
Оценка работы студентов на уроке. Вывод о достижении целей урока. Вопросы: какие трудности возникли при выполнении заданий? Что нового узнали на уроке? Что было самым интересным?
Анализируют свою работу, делятся впечатлениями
Беседа, самоанализ
8. Домашнее задание
2
Повторить теоретический материал по теме урока. Решить задачи по определению фазового состава. Подготовиться к самостоятельной работе про теме.
Записывают домашнее задание.
Инструктаж по выполнению домашнего задания.
Раздаточный материал:
Раздаточный материал включает в себя таблицу с данными для построения диаграммы, задания для определения фазового состава системы Fe - С в равновесном (отожженном) состоянии с заданным содержанием углерода при комнатной и указанной по варианту температурах, диаграмму состояния железо-цементит для решения индивидуальных заданий.
Таблица с данными для построения диаграммы:
А
15390С
Критическая температура плавления железа
D
15500С
Температура распада цементита
Q
0.006%C
Р
0,02%С, 7270С
Феррит предельно насыщенный углеродом
S
0.8%, 7270С
Аустенит, испытывающий эвтектическое превращение
G
9110С
Температура полиморфного превращения железа
E
2,14%, 11470С
C
4,3%, 11470С
Жидкая фаза, испытывающая эвтектоидное превращение
АCD
Ликвидус
Линия начала кристаллизации
AECF
Солидус
Линия окончания кристаллизации
ECF
Эвтектическое превращение
«Из жидкого в твердое»
SE
Линия предельной растворимости углерода в аустените
PSK
Эвтектоидное превращение
«Из твердого в твердое»
PQ
Линия предельной растворимости углерода в феррите
0,02% - 2,14%
Стали
2,14% - 6,67%
Чугуны
Задания по вариантам:
Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:
Вариант 1: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 2,5% при: а) комнатной температуре; б) при 850°С.
Вариант 2: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 1,8% при: а) комнатной температуре, б) при температуре 8800С.
Вариант 3: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 3,2% при: а) комнатной температуре, б) при температуре 9800С.
Вариант 4: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 4% при: а) комнатной температуре; б) при 1000°С.
Диаграмма состояния железо-цементит для решения индивидуальных заданий.
Пример определения фазового состава железоуглеродистой системы на диаграмме железо-цементит с применение правила отрезков и правила концентраций:
Диаграмма строится в координатах температура — концентрация углерода. По оси абсцисс откладывается концентрация углерода в процентах, а по оси ординат — температура в градусах Цельсия.
Построение диаграммы начинается с отметки точек, соответствующих критическим температурам плавления железа, распада цементита и полиморфного превращения железа, затем нанесения линий ликвидус и солидус. Затем на диаграмму наносятся линии, соответствующие фазовым переходам.
Правила определения количественного соотношения фаз. Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется с помощью довольно простых правил, применение которых рассмотрим на примере. Определение правила концентраций и правила отрезков. Изучение применения этих правил для определения фазового состава железоуглеродистой системы.
Задача: Пусть требуется определить фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 2% при: а) комнатной температуре; б)при 800°С.
Решение:
а) С химической точки зрения в железоуглеродистых сплавах при комнатной температуре имеются только две фазы: феррита и цементита (карбида железа Fе3С), в то время как при 800°С кроме феррита и цементита может существовать еще фаза аустенита. При комнатной температуре, когда отсутствует аустенит, фазовый состав сплава можно определить прямо по второй шкале абсцисс: так 2%С соответствует содержанию карбида железа 30%, остальное феррит (70%). Подобный метод решения вопроса по координатам точек на диаграмме называется правилом определения фаз (правило концентраций).
б) В случае других температур вторая шкала абсцисс не отражает действительного соотношения фаз и не должна применяться. В данном случае применяем правило отрезков. Оно позволяет на основе диаграмм состояния определять для любого сплава при любой температуре относительное количество присутствующих в нем фаз или структурных элементов и определять количественный состав каждого из них, т.е. производить не только качественный, но и количественный анализ сплавов. Для этого, согласно правилу отрезков, через определенную точку, отвечающую данному сплаву, проводят на уровне заданной температуры (800С) горизонталь (так называемую коноду) до пересечения ее с линиями фазовых и структурных превращений и делаем соответствующий анализ.
При 800°С сплав с данной концентрацией попадает в область CE (точка y). По начерченной нами коноде, опуская перпендикуляр из точки x пересечения ее с линией аустенитного превращения (линия SE) находим, что предел растворимости углерода в аустените при 800°С приблизительно равен 1%. Таким образом, содержание аустенитной фазы будет уменьшаться со 100% при содержании углерода 1% до 0% при содержании углерода 6,67%, когда весь сплав будет состоять только из цементита. При промежуточном содержании С фазовый состав линейно изменяется: постепенно падает содержание аустенита со 100% до нуля, а концентрация цементита растет с 0 до 100%. Для определения содержания цементита СЦ согласно правилу отрезков используем выражение:
Сц = ху/хz*100, где xy и xz - длины отрезков, определяемые по шкале содержания углерода.
Учитывая что xy = 2 - 1=1, xz = 6,67 – 1 = 5,67 находим содержание цементита:
Сц = ху/хz*100 = 1/5,67*100 = 17 ,64%.
Длины отрезков, соответствующие фазам, следует брать в направлении, обратном расположению фаз на диаграмме.
Содержание аустенита находим из:
Са = 100% - Сц
Вычислим: Са = 100 - 17,64 = 82,36%.
В конце урока подведение итогов, выставление оценок и постановка домашнего задания.
Критерии оценки:
Активность на уроке (ответы на вопросы, участие в обсуждении);
Правильность выполнения практической работы (точность расчетов, понимание принципов);
Умение применять полученные знания для решения практических задач;
Самостоятельность в работе;
Указания по выполнению домашнего задания работы:
- Самостоятельно проработать конспект прилагаемого изученного материала, уяснить учебные вопросы по данной теме. В конспекте аккуратно нарисовать диаграмму состояния системы "железо-цементит" с подробным указанием характерных температур и наличия фаз. Рекомендуется штриховкой цветными карандашами обозначить границы существования структурных составляющих. Определить фазовый состав системы Fe - С в равновесном (отожженном) состоянии с заданным содержанием углерода при комнатной и указанной по варианту температурах. Графические построения и ход расчета, а также полученные результаты должны быть отражены в отчете по работе.
Дополнительно:
- примеры из реальной практики применения знаний о фазовом составе (термическая обработка стали, выбор чугуна для отливок и т.д):
1) Оценка качества термической обработки деталей:
• Проблема: При замене шаровых опор обнаружено, что новые опоры (или их пальцы) слишком мягкие или, наоборот, слишком хрупкие.
Знание фазового состава: Шаровые опоры часто изготавливаются из стали, прошедшей термическую обработку (закалку и отпуск) для повышения прочности и износостойкости. Автомеханик, знакомый с диаграммой Fe-C и влиянием термической обработки на структуру стали, может сделать вывод о том, была ли термообработка проведена правильно. Например, если сталь слишком мягкая, то возможно, была выбрана слишком высокая температура отпуска, или закалка была проведена неправильно. Если слишком хрупкая – возможно, забыли сделать отпуск после закалки.
Решение: Отказ от использования некачественных деталей, обращение к поставщику с претензией, выбор другого производителя.
2) Выбор правильной сварочной проволоки или электрода для сварки:
• Проблема: Необходимо заварить трещину в чугунном блоке двигателя.
Знание фазового состава: Чугун, особенно серый чугун, имеет высокую склонность к образованию белого чугуна (цементита) в зоне сварки, что делает соединение хрупким. Специалист должен выбрать сварочный материал и режим сварки, которые минимизируют образование цементита и обеспечат получение прочного и пластичного соединения. Для этого используются специальные электроды для сварки чугуна (например, с никелевым сердечником).
Решение: Правильный выбор сварочного материала, применение специальных технологий сварки чугуна (например, холодной сварки или предварительного подогрева).
- доклад студента:
Диаграмма железо-цементит — это важный инструмент для понимания процессов, происходящих в металлах и сплавах. Она позволяет определить фазовые состояния сплава, а также его свойства и характеристики.
Применение диаграммы железо-цементит очень широко. Она используется в металлургии, машиностроении, судостроении, авиастроении и других отраслях промышленности. С её помощью можно определить оптимальные режимы термической обработки, сварки, литья и других процессов обработки металлов.
Например, с помощью диаграммы можно определить температуру, при которой происходит превращение аустенита в перлит. Это важно для термической обработки стали, которая позволяет улучшить её свойства. Также с помощью диаграммы можно определить состав сплава, который будет обладать необходимыми свойствами.
Таким образом, диаграмма железо-цементит является важным инструментом для проектирования и производства металлических изделий. Она позволяет оптимизировать процессы обработки металлов и повысить их качество.
А
15390С
Критическая температура плавления железа
D
15500С
Температура распада цементита
Q
0.006%C
Р
0,02%С, 7270С
Феррит предельно насыщенный углеродом
S
0.8%, 7270С
Аустенит, испытывающий эвтектическое превращение
G
9110С
Температура полиморфного превращения железа
E
2,14%, 11470С
C
4,3%, 11470С
Жидкая фаза, испытывающая эвтектоидное превращение
АCD
Ликвидус
Линия начала кристаллизации
AECF
Солидус
Линия окончания кристаллизации
ECF
Эвтектическое превращение
«Из жидкого в твердое»
SE
Линия предельной растворимости углерода в аустените
PSK
Эвтектоидное превращение
«Из твердого в твердое»
PQ
Линия предельной растворимости углерода в феррите
0,02% - 2,14%
Стали
2,14% - 6,67%
Чугуны
Задания по вариантам:
Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:
Вариант 1: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 2,5% при: а) комнатной температуре; б) при 850°С.
Задания по вариантам:
Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:
Вариант 2: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 1,8% при: а) комнатной температуре, б) при температуре 8800С.
Задания по вариантам:
Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:
Вариант 3: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 3,2% при: а) комнатной температуре, б) при температуре 9800С.
Задания по вариантам:
Решить задачи по диаграмме состояния при данных условиях:
Вариант 4: Определите фазовый состав железоуглеродистой системы с содержанием углерода 4% при: а) комнатной температуре; б) при 1000°С.
