Лабораторная работа №2 Углеродистые стали
1. Цель и содержание работы: изучить превращения, происходящие в углеродистых сплавах при охлаждении от температуры плавления до комнатной температуры (диаграмма состояния "железо - углерод"), влияние структуры на свойства доэвтектоидных сталей, применение углеродистых сталей.
2. Применяемое оборудование, материалы и инструмент: микроскоп МИМ-7, коллекция шлифов углеродистых сталей, коллекция микроструктур доэвтектоидных сталей
Вопросы к теории:
1. Определение стали, микроструктуры, феррита, аустенита, перлита, ледебурита и основных превращений, происходящих в сталях
2. Начертить диаграмму состояний "железо-цементит", обозначив фазы, критические точки и структурные составляющие.
3. Описать превращения, происходящие в стали определенной марки при охлаждении от температуры плавления до комнатной температуры.
4. Классификация и назначение углеродистых сталей. Маркировка.
5. Зарисовать микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали, указать структурные составляющие.
3. Пояснения к работе
3.1. Микроструктура стали
Сталь - это сплав железа с углеродом, в котором содержится до 2,14 % углерода. Кроме того, в углеродистой стали содержится кремний, марганец, сера, фосфор в количествах, заметно не влияющих на положение точек и линий диаграммы состояний "железо-углерод".
Микроструктурой называется строение стали, наблюдаемое под металлографическим микроскопом. Структура (внутреннее строение стали) состоит из отдельных составляющих (фаз) В зависимости от количества фаз структуры могут быть однофазными, двухфазными. К однофазным структурам относятся, феррит, аустенит, цементит; к двухфазным - перлит, ледебурит.
Феррит - твердый раствор углерода и других элементов в а - железе. Растворимость углерода в - железе при 20 °С равна 0,006 %; при 727 °С - примерно 0,02 %. Кристаллическая решетка феррита - объемноцентрированный куб. Феррит весьма пластичен: = 45 %; = 70 %; в=300МПа; твердость НВ 80 и до 768 °С ферромагнитен. Под микроскопом феррит наблюдается в виде светлых зерен. На диаграмме состояний "железо- углерод" феррит занимает область GPQG (рис.7).
Аустенит - твердый раствор углерода в - железе. Максимальная растворимость углерода в аустените при 1147 °С равна 2,14 %. На фотографиях микроструктур аустенит изображается в виде светлых зерен с двойниками. Аустенит немагнитен. Твердость его по Бринеллю составляет 200 (НВ 200). На диаграмме состояний "железо- углерод" аустенит занимает область NJESG .
Цементит (карбид железа) - химическое соединение железа с углеродом, имеющее формулу F3С. Состав цементита по весу: 93,33 % железа и 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Твердость его по Бринеллю - 800 (НВ 800), а по Роквеллу- 65 ед. (HRC 65).
Перлит (эвтектоид) - тонкая механическая смесь частиц феррита и цементита. Перлит содержит 0,8 % углерода и образуется из аустенита при охлаждении его ниже 727 °С. Перлит в зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатым и зернистым Перлит обладает примерно следующими механическими свойствами. в= 700 МПа, = 10%; НВ 250-200. На диаграмме состояний "железо- углерод" перлит располагается по вертикали, проходящей через точку S.
Сплавы могут находиться в равновесном и неравновесном состоянии. Сплав находится в равновесном состоянии, если в нем все фазовые превращения закончились. Это имеет место при медленном охлаждении сплавов и соответствует диаграмме "железо-углерод".
Эта диаграмма выражает в графической форме зависимость фазового состава сплавов на железной основе от температуры и содержания углерода.
ABCD - линия ликвидус. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Жидкая фаза представляет собой жидкий раствор углерода в железе.
По линии ликвидус начинается первичная кристаллизация сплавов. По АВ выпадают кристаллы высокотемпературного феррита (Fe - 6 ), по ВС - кристаллы аустенита и по CD - кристаллы цементита. Это твердые фазы.
Линия AHJECF - линия солидус. По этой линии заканчивается первичная кристаллизация и сплавы переходят в твердое состояние. Между линиями ликвидус и солидус состояние сплавов двухфазное. В области АНВ в равновесном состоянии находятся кристаллы высокотемпературного феррита и жидкий раствор, в области JECB - кристаллы аустенита и жидкий раствор и в области CDF - кристаллы цементита и жидкий раствор.
Рис.7. Диаграмма состояний сплавов "железо-углерод"
По линии HJB (1492 °С) происходит перитектическое превращение. Перитектическое превращение заключается во взаимодействии жидкой фазы, имеющей химический состав, соответствующий точке В, с высокотемпературным ферритом (Fe - ) предельной концентрации (точка Н) В результате взаимодействия образуется аустенит состава точки 1.
Перитектическое превращение можно записать в таком виде.
Жв + Фн А1,
Эвтектический сплав, содержащий 4,3 % углерода, плавится и затвердевает при температуре 1147 °С.
В точке С из жидкого раствора при охлаждении образуется эвтектика - ледебурит.
По линии ECF оставшийся жидкий сплав эвтектического состава превращается в ледебурит. Таким образом, ниже линии ECF структура затвердевших доэвтектических сплавов состоит из аустенита, ледебурита, вторичного цементита, а заэвтектических - цементита и ледебурита.
В сплавах железо - углерод в твердом состоянии протекают структурные превращения. Причина этих превращений заключается:
- в переходе железа из одной аллотропической формы в другую;
- в изменении растворимости углерода в аустените и феррите при понижении температуры,
- в стремлении вещества к наименьшему запасу свободной энергии, те к более устойчивому термодинамическому состоянию.
Линия SE определяет наибольшую растворимость углерода в аустените. С понижением температуры растворимость углерода постепенно уменьшается и при 727 °С составляет 0,8 %.