Порядок виконання роботи

1. Вичертити діаграму стану залізовуглецевих сплавів, позначивши буквами її лінії, указавши значення температур і вміст вуглецю.

2. Указати кристалічну будову і властивості компонентів сплавів.

3. Описати фази і структурні складові сплавів, указати їх в областях діаграми.

4. Записати і пояснити реакції утворення фаз і структурних складових у залізовуглецевих сплавах відповідно до їх діаграми.

5. Побудувати і проаналізувати з застосуванням правила фаз Гиббса криву охолодження (нагрівання) сплаву, заданого викладачем, а також криву охолодження сплаву з 0,4 % С.

6. Визначити склади фаз і структурних складових, їхні масові частки в досліджуваному сплаві при температурах, заданих викладачем.

7. Написати звіт по роботі відповідно до вищевказаних пунктів завдань.

Зміст звіту

Звіт з лабораторної роботи повинний містити:

- найменування роботи, мету й загальні відомості;

- діаграму стану залізовуглецевих сплавів;

- характеристику кристалічної будови і властивостей компонентів сплавів;

- опис фаз і структурних складових сплавів;

- реакції утворення фаз і структурних складових;

- побудовану з застосуванням правила фаз криву охолодження сплаву, заданого викладачем;

- криву охолодження сплаву з 0,4 % С.

- визначення складу фаз і структурних складових, їхні масові частки в досліджуваному сплаві при температурах, заданих викладачем.

Контрольні питання

1. Що таке діаграма стану?

2. Що означає лінія ECF на діаграмі залізо-вуглець?

3. Що означає лінія PSK на діаграмі залізо-вуглець?

4. Що означає лінія GS на діаграмі залізо-вуглець?

5. Що означає лінія PQ на діаграмі залізо-вуглець?

6. Що означає лінія SE на діаграмі залізо-вуглець?

7. Що означає точка S і точка С на діаграмі залізо-вуглець?

8. Що таке ферит?

9. Що таке аустеніт?

10. Що таке перліт?

11. Що таке цементит?

12. Що таке ледебурит?

13. Дати визначення правила відрізків.

14. Дати визначення правила фаз і його зміст.

15. Яку структуру при кімнатній температурі в рівноважному стані буде мати сталь з вмістом вуглецю 0,5%, 0,8%, 1,2% ?

16. Яку структуру при кімнатній температурі в рівноважному стані буде мати чавун з вмістом вуглецю 3,5%, 4,3%, 5,2% ?

Література: [ ]

Лабораторна робота № 4 Тема: Структура та властивості сталей у рівноважному стані

Мета роботи: вивчення мікроструктури технічно чистого заліза та вуглецевих сталей згідно діаграми Fe – Fe₃C; вивчення методики визначення вуглецю у вуглецевих сталях по їх мікроструктурі.

Загальні відомості

Мікроструктура технічного заліза й вуглецевих сталей у рівноважному стані характеризується нижньою лівою частиною діаграми залізо - цементит (рис. 4.1)

Рисунок 4.1 - "Сталевий" кут діаграми Fe - Fe₃C

Під рівноважним станом сплаву розуміється стан, при якому усі фазові перетворення в сплаві цілком закінчилися згідно з діаграмою стану. Такий стан настає тільки при повільному охолодженні. Умови утворення тих чи інших фаз і структур можна визначити, розглядаючи за діаграмою стану процеси, що відбуваються при охолодженні в досліджуваному сплаві.

Структурні складові системи залізо - вуглець, що є присутніми у сталях і технічно чистому залізі наступні:

- ферит - твердий розчин вуглецю в α-залізі. Максимальна розчинність вуглецю в α-залізі близько 0,025 % при температурі 727 °С и близько 0,006 % при кімнатній температурі. Кристалічна решітка фериту – об’ємноцентрований куб. Твердість фериту невелика (НВ 70 - 80). На діаграмі стану ферит займає область GPQ. Під мікроскопом – світлий.

- аустеніт - твердий розчин вуглецю в γ-залізі. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті 2,14 % при температурі 1147 °С. Кристалічна решітка аустеніту - гранецентрований куб. Ha діаграмі стану аустеніт займає область NJESG.

- цементит (карбід заліза) - хімічна сполука, що відповідає формулі Fe₃C. Він дуже твердий (дряпає скло) і ламкий.

- перліт - евтектоїдна суміш, зв'язаних між собою часток фериту і цементиту. Містить 0,8 % вуглецю й утворюється нижче 727 °С з аустеніту. Може бути пластинчастим і зернистим.

Сплави, що містять менш 0,006 % вуглецю (сплав І, рис. 4.1), є однофазними і мають структуру чистого фериту (рис. 4.2). Сюди відноситься електролітичне залізо. При охолодженні з аустенітної області при деякім переохолодженні нижче температур лінії GS ( т. 1) починається поліморфне перетворення аустеніту у ферит. Закінчується це перетворення при температурі нижче лінії GP (т. 2). При подальшому охолодженні в цих сплавах не відбувається перетворень і структура сплаву при кімнатній температурі - ферит.

Рисунок 4.2 – Структура та схематичне зображення структури сплаву I

Сплави, що містять 0,006 - 0,025 % С, називаються технічно чистим залізом (сплав ІІ, рис. 4.1). Поліморфне перетворення в цих сплавах починається при деякім переохолодженні нижче температур лінії GS (т. 3) і закінчується нижче лінії GP (т. 4). При подальшому повільному охолодженні нижче лінії PQ з фертта починається виділення надлишкового тритичного цементиту. Це відбувається через зниження розчинності вуглецю у фериті зі зниженням температури (при 727 °С у фериті розчиняється 0,025 % С, а при кімнатній температурі - 0,006 % С). Структура технічно чистого заліза при кімнатній температурі складається з фериту і третинного цементиту. Звичайно цементит третинний виділяється по границях зерен (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 – Структура та схематичне зображення структури сплаву II

Промислові сорти технічно чистого заліза застосовуються для холодного штампування.

Сплави, що містять вуглецю від 0,025 до 2,14 %, називаються сталями.

У залежності від вмісту вуглецю, а отже і структури, вуглецеві сталі поділяються на доевтектоїдні, евтектоїдні і заевтектоїдні.

Доевтектоїдними називаються сталі, що містять більш 0,025, але менш 0,8 % вуглецю. Структура доевтектоїдних сталей складається з фериту і перліту (рис. 4.4). При охолодженні сплаву ІІІ (рис. 4.1) трохи нижче лінії GS (т. 5) з аустеніту починає виділятися ферит, тобто відбувається поліморфне перетворення аустеніту у ферит. Процес виділення фериту буде йти до т. 6. Так як ферит майже не містить вуглецю, то при виділенні із аустеніту фериту між ними відбувається перерозподіл вуглецю. Вуглець з обсягів аустеніту, що перетворюються у ферит, дифундує в аустеніт, що залишився, і збагачує його. Вміст вуглецю у фериті міняється по лінії GP, а вміст вуглецю в аустеніті змінюється по лінії GS (відрізок 5S). Наприклад, при температурі, що відповідає точці b, у рівновазі знаходяться дві фази (ферит + аустеніт), причому ферит має концентрацію вуглецю, що відповідає точці а, а аустеніт - точці с.

Рисунок 4.4 - Структура та схематичне зображення структури сплаву III.

На лінії PSK аустеніт має склад, що відповідає т. S (0,8 % З), ферит - т. Р (0,025 % С).

Кількість цих фаз визначається за правилом відрізків: якщо відрізок PS визначає усю кількість сплаву, то відрізок Р6 - кількість перліту, а відрізок 6S - кількість аустеніту. Виходячи з цього:

Q__{аустеніта}= 100%

Q__{ферріта}= 100%

При охолодженні сплаву нижче лінії евтектоїдної рівноваги PSK (727 °С) у сталі відбувається евтектоїдне перетворення аустеніту в перліт, що складається з фериту і цементиту: A_S → Ф_Р + Ц.

Ферит, що виділився раніше, залишається без змін. При охолодженні до кімнатної температури через зменшення розчинності вуглецю у фериті виділяється цементит третинний. Він виділяється на цементиті, що входить у перліт і тому як окрема структурна складова під мікроскопом не спостерігається, і при кімнатній температурі структура доевтектоїдної стали складається з фериту і перліту. Зі збільшенням вмісту вуглецю кількість фериту у доевтектоїдних сталях зменшується, а перліту збільшується.

По мікроструктурі доевтектоїдної сталі з достатньої для практичних цілей точністю можна визначити вміст у ній вуглецю, для чого по мікроструктурі потрібно орієнтовно визначити площу (у %), займану ферbтом і перлітом.

Наприклад, у сплаві ІІІ 40 % усієї площі зайнято перлітом і 60 % феритом. Якби площа, займана перлітом, відповідала 100 %, то кількість вуглецю в сталі була б 0,8 %. У сплаві ІІІ 40 % площі зайнято перлітом, тоді вміст вуглецю - х %:

Складаємо співвідношення: 100 % П - 0,8 % С

40 % П - х % С

Відкіля х = = 0,32 % С.

У зв'язку з тим, що у фериті розчинена невелика кількість вуглецю, практично можна вважати, що в доевтектоїдних сталях увесь вуглець знаходиться у перліті. Таким чином, вміст вуглецю в сплаві ІІІ - 0,32 %.

Сталь, що містить 0,8 % С, називається евтектоїдною. При охолодженні з аустенітної області нижче лінії PSK (сплав ІV рис. 4.1) у евтектоїдній сталі відбувається евтектоїдне перетворення: A_S → П(Ф_Р + Ц). Структура евтектоїдної сталі при кімнатній температурі складається з перліту (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 - Структура та схематичне зображення структури сплаву IV

Сталі, що містять більш 0,8 % С, називаються заевтектоїдними (сплав V рис. 4.1). У цих сталях при охолодженні нижче лінії ES з аустеніту починає виділятися вторинний цементит у зв'язку зі зменшенням розчинності вуглецю в аустеніті зі зниженням температури. При повільному охолодженні виділяється вторинний цементит у виді сітки по границях зерен аустеніту. Процес виділення вторинного цементиту йде до 727 °С, при цьому концентрація вуглецю в аустеніті буде зменшуватися відповідно до лінії ES. При 727 °С аустеніт буде мати склад точки S, тобто 0,8 % С. При охолодженні нижче лінії PSK аустеніт евтектоїдного складу перетворюється в перліт. Після остаточного охолодження мікроструктура заевтектоїдної сталі буде складатися з перліту і вторинного цементиту (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 - Структура та схематичне зображення структури сплаву V

За структурою заевтектоїдної сталі можна приблизно визначити вміст вуглецю. При цьому враховується і вуглець вторинного цементиту.

Наприклад, у структурі стали міститься 95 % перліту і 5 % вторинного цементиту. Складаємо співвідношення: 100 % П - 0,8 % С

95 % П - х % С

.

100 % Ц - 6,67 % С

5 % Ц - х % С

.

Загальна кількість вуглецю дорівнює сумі вуглецю, що знаходиться в перліті і вторинному цементиті:

Q_общ = х_п + х_ц = 0,76 + 0,33 = 1,09 % С.

Застосування вуглецевих сталей. Сталі, що містять до 0,1 % С, широко використовуються для виготовлення тонкого листа. Сталі з 0,1 - 0,3 % С використовуються як будівельні.

Механічні властивості доевтектоїдних сталей (твердість, міцність, в'язкість, пластичність) змінюються зі збільшенням вуглецю: міцністні характеристики зростають, пластичність знижується (рис. 4.7). Це обумовлено збільшенням у структурі цементиту, що значно твердіше ферріту і відіграє роль зміцнюючої фази (твердість ферріта НВ ~ 100 кг/см², твердість цементиту НВ ~ 600 кг/см²).

Рисунок 4.7 – Вплив вуглецю на механічні властивості сталей

Низьковуглецеві сталі, що містять багато фериту, мають високу в'язкість і пластичність при порівняно низької твердості і міцності. Для виготовлення виробів з таких сталей (тонкий лист, дріт, гнутий профіль, різні металовироби і т.д.) використовують холодну деформацію. Низьковуглецеві стали використовуються також для виготовлення виробів із застосуванням зміцнюючої хіміко-термічної обробки. Ці вироби мають в'язку серцевину і високу поверхневу твердість і зносостійкість.

Середньовуглецеві доевтектоїдні сталі (0,4 - 0,5 % С) застосовуються як конструкційний матеріал для складнонавантажених деталей машин і механізмів. Цим сталям, особливо після термічної обробки, присуще сполучення міцності і в'язкості, що додає їм конструкційну міцність, тобто здатність тривалий час протистояти різноманітним статичним і динамічним навантаженням.

Високовуглецеві доевтектоїдні сталі (0,6 - 0,8 % С) мають велику пружність, зносостійкість і використовуються для виробництва рейок, пружин, ресор, торсіонних валів і т.д. Найчастіше такі сталі використовують після термічної обробки.

Стали, близькі по складу до евтектоїдної, використовують для виготовлення мало навантаженого інструменту - штампів і прес-форм для полімерів, деревообробного інструмента і т.д.

Заевтектоїдні сталі, в основному, застосовуються для виготовлення інструмента: що ріже (свердла, напилки, зубила, мітчики, лерки, ножівкові полотна і т.д.), для обробки тиском (прокатні валки, філь’єри для протягання, штампи, різьбо накатні плашки, матриці, пуансони і т.д.), міряльного інструмента (штангенциркулі, мікрометри, лінійки, кронциркулі, пробки, калібри і т.д.).

По призначенню стали поділяються на конструкційні (умовно до 0,65 % С) і інструментальні (більш 0,65 % С).

Позначення вуглецевих сталей. Вуглецеві сталі підрозділяються на сталі звичайної якості (ДСТ 380-71), якісні конструкційні (ДСТ 1050-74) і інструментальні (ДСТ 1435-74).

У залежності від ступеня розкислення низьковуглецеві сталі за ДСТ 380-71 і ДСТ 1050-74 поставляються поряд зі спокійними (сп), напівспокійні (пс) і киплячі (кп).

Сталь звичайної якості (ДСТ 380-71) підрозділяється на три групи:

А - поставляється за механічними властивостями;

Б - поставляється за хімічним складом;

В - поставляється за механічними властивостями і хімічним складом.

Виготовляються наступні марки:

група А - Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

група Б - БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;

група В - ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5,

де цифри вказують умовний номер марки сталі, ріст яких свідчить про підвищення вмісту вуглецю в сталі. Наприклад, Ст3пс; БСт3кп; ВСт3 (індекс сп у позначенні спокійних сталей опускається).

Сталь якісна конструкційна (ДСТ 1050-74) виготовляється наступних марок: 05кп, 08кп, 10, 15кп, 15, 20кп, 20, 25,30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, де цифри вказують середній зміст вуглецю у сотих частках %. Наприклад, сталь 40, сталь 15кп.

Для позначення сталі з підвищеним вмістом марганцю до позначення марки сталі після номера марки ставлять букву Г, наприклад, Ст3Г, сталь 45Г.

Інструментальні високовуглецеві сталі позначаються в такий спосіб: У7, У8, У13 і т.д. - це позначає, що в цих сталях міститься вуглецю відповідно 0,7%, 0,8 %, 1,3 %.

Якщо наприкінці позначення стоїть буква А, це значить, що сталь високоякісна, тобто зміст шкідливих домішок сірки і фосфору не повинний перевищувати 0,025 %. Наприклад, У12А, сталь 40А.