МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ"

__________________________________________________________

К а ф е д р а "Материаловедение и товарная экспертиза"

МИКРОСТРУКТУРА

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

В РАВНОВЕСНОМ

СОСТОЯНИИ

Методические указания Самара Самарский государственный технический университет

2013

Рекомендовано к использованию на заседании кафедры "Материаловедение и товарная экспертиза"

Протокол № __12__ от _12 декабря__ 2013 года

УДК 620.22

Микроструктура углеродистых сталей в равновесном состоянии: Метод. указ. / Самар. гос. техн. ун-т; Сост. А.Б. Окунев, А.Р. Луц. Самара, 2013. 17 с.

Представлена диаграмма состояния "железо-цементит", ее фазы и основные структурные составляющие.

Предназначены для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 151900, 221700, 151000, 221700, 131000, 151900, 190600, 141100, 140100, 200100, 220100, 220700, 150700, 190700, 240100, 241000, 240300, 170100.

УДК 620.22

Илл.. 9. Табл. 2. Библиогр.: 3 назв.

Составители: канд. техн. наук А.Б. Окунев

канд. техн. наук А.Р. Луц

 А.Б. Окунев, А.Р. Луц составление 2013

 Самарский государственный

технический университет 2013

Цель работы – приобрести умения и навыки пользования диаграммой состояния железо-цементит: определение фаз и структуры системы, анализа превращений при изменении температуры, установления связей между структурой и свойствами сплава.

Сталями называются железо-углеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%. Процессы кристаллизации и структурно-фазовое состояние сталей описывается в диаграмме железо-цементит (рис. 1).

Р и с. 1 Диаграмма железо-цементит

В процессе кристаллизации сталей образуются фазы и структурные составляющие.

Фазы системы

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -Fe (кристаллическая решетка ОЦК). Из диаграммы состояний видно, что однофазная область феррита существует в двух зонах: AHN и QPG. Максимальная растворимость углерода в области QPG в -Fe при 727 С составляет около 0,025%. При понижении температуры растворимость снижается и составляет при 0 С около 0,006%. Феррит характеризуется повышенной пластичностью, невысокой твердостью (НВ = 80 – 100), наличием магнитных свойств ниже температуры 768 С (температура точки Кюри).

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в -Fe (кристаллическая решетка ГЦК). Область аустенита на диаграмме размещена в границах NIESOG. Предельная растворимость углерода равна 2,14% и имеет место при 1147 С (точка Е). Аустенит не магнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита около 200 НВ.

Цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C с содержанием 6,67% С (имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку). Цементит характеризуется очень высокой твердостью (НВ  800) и хрупкостью; ниже температуры 217 С (точка Кюри для Fe₃C) слабо магнитен.

Структурные составляющие системы

Некоторые фазы могут встречаться в сталях в качестве самостоятельных структурных составляющих. Так, в углеродистых сталях это феррит в доэвтектоидных сплавах и цементит в заэвтектоидных сталях. (Здесь не учитывается возможность выделения третичного цементита в малоуглеродистых сталях. Аустенит в виде самостоятельной структуры может присутствовать только в легированных сталях).

В большинстве случаев в сталях формируются двухфазные структуры типа перлита.

Перлит (П) – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8% С и образуется в процессе охлаждения при температуре 727 С (линия PSK) в результате распада аустенита. В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость соответственно 200 – 220 НВ.

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении в сталях с формированием равновесных структур. Прежде всего отметим, что сложность диаграммы объясняется наличием фазовых превращений в твердом состоянии, которые вызываются двумя причинами:

1) наличием полиморфных превращений Fe_  Fe_;

2) уменьшением растворимости углерода в -Fe и -Fe при понижении температуры (изменением растворимости углерода в -Fe для средне- и высокоуглеродистых сталей можно практически пренебречь).

В процессе первичной кристаллизации ниже линии АВ из жидкого расплава выделяются кристаллы феррита- (Ф_), ниже линии ВС – кристаллы аустенита. На линии АН вся жидкая фаза затвердевает с образованием феррита-, который при последующем охлаждении от линии NH до NI, ввиду наличия полиморфного превращения -Fe  -Fe, перекристаллизовывается с образованием аустенита. При температуре 1499 С (на линии НВ) сплавы претерпевают перитектическое превращение, в результате которого ранее выделившиеся кристаллы феррита- концентрации точки Н, взаимодействуя с оставшейся жидкой фазой состава точки В, образуют новую фазу: аустенит состава точки I по реакции Ф^_Н + Ж_В  А_I

При дальнейшем охлаждении в сталях, содержащих от 0,1 до 0,16% углерода, оставшийся феррит- перекристаллизовывается в аустенит, а в сталях с большим содержанием углерода происходит окончательное затвердевание жидкого расплава с образованиием аустенита .

Таким образом, ниже линий NJ и JE все сплавы имеют однородную аустенитную структуру.

При дальнейшем охлаждении ниже линии GS в связи с наличием полиморфного превращения Fe_  Fe_ из аустенита выделяется феррит, количество аустенита при этом уменьшается, а концентрация углерода в нем возрастает (изменяется по линии GS). При охлаждении ниже линии SE из аустенита выделяется цементит вторичный. Количество аустенита уменьшается, и он обедняется углеродом (концентрация меняется в соответствии с линией SE диаграммы).

На линии PSK весь оставшийся аустенит содержит 0,8%С и претерпевает эвтектоидное превращение с образованием перлита по схеме А_0,8%С  перлит (Ф_0,025%С + Fe₃С)

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода меньше 0,025% (точка Р), относятся к техническому железу и при комнатной температуре имеют однофазную ферритную структуру (рис. 2) или структуру феррит + цементит третичный.

Точка S (0,8%С) делит по структуре область сталей на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные (см. рис. 1). Такое подразделение сталей системы Fe – Fe₃C обусловлено особенностями фазовых превращений в твердом состоянии.

Р и с. 2. Чистое железо. Феррит х 200

Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025% до 0,8% (от точки Р до точки S) и имеют структуру: феррит + перлит. С увеличением содержания углерода процентное содержание феррита уменьшается, а перлита - увеличивается. При содержании углерода 0,8% количество перлита равно 100%. На рис. 3, 4, 5 приведена микроструктура доэвтектоидных сталей с различным содержанием углерода (ферритные участки - в виде белой составляющей, перлитные – темной).

Р и с. 3. Доэвтектоидная сталь.

Феррит и перлит.

Травление 4%-ным раствором

HNO₃ в спирте, х 200

Р и с. 4. Доэвтектоидная сталь.

Феррит и перлит.

Травление 4%-ным раствором

HNO₃ в спирте, х 200

Р и с. 5. Доэвтектоидная сталь.

Феррит и перлит. х 200

В доэвтектоидных углеродистых сталях в отожженном состоянии можно с достаточной для практических целей точностью определить процентное содержание углерода по структуре. Например, пусть по микроструктуре 40% всей площади занято перлитом. Тогда, полагая для упрощения расчетов, что углерод в феррите не растворяется и, следовательно, весь находится в перлите, в свою очередь написать, воспользовавшись правилом отрезков:

100%П – 0,8%С

40% П - Х,

_______________________

откуда Х = = 0,32%С. Марка – сталь 30.

Сталь с 0,8%С называется эвтектоидной и имеет структуру перлита (рис. 6).

Р и с. 6. Эвтектоидная сталь.

Перлит, х 400

Стали, содержащие углерода от 0,8 до 2,14%, называются заэвтектоидными. Их структура состоит из перлита и цементита вторичного, который может располагаться по границам перлитных зерен, в виде сетки по границам отдельных зерен или в виде игл. На рис. 7 представлена микроструктура заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,2%. Структура состоит из пластинчатого перлита и цементита вторичного, ориентированного в виде сетки по границам зерен.

Р и с. 7. Заэвтектоидная сталь

с 1,2%С. Перлит и цементит

вторичный, х 200

При травлении 4%-ным раствором HNO₃ в спирте, цементит (так же, как и феррит) просматривается под микроскопом в виде светлой составляющей, а перлит имеет темную окраску. Для того, чтобы отличить по микроструктуре цементит от феррита, в качестве реактива травления применяют пикрат натрия, который окрашивает цементит в темный цвет, в то время как феррит остается в светлых тонах.

Схематическое изображение структур представлено на рис. 8.

а б в

Р и с. 8. Схематическое изображение структуры: а - доэвтектоидной;

б - эвтектоидной; в - заэвтектоидной

Кроме железа и углерода в сталях присутствуют (в связи со способом производства) постоянные примеси: марганец, кремний, сера и фосфор. Их количество зависит от способа плавки стали, шихтовых материалов и марки стали и обычно не превышает следующих пределов:

не более

Mn – 0,80%, Si – 0,37%,

S – 0,05%, Р – 0,04%.

Свойства углеродистой стали главным образом определяются процентным содержанием углерода. На рис. 9 приведен график изменения механических свойств стали в зависимости от содержания углерода (в нормализованном состоянии).

Р и с. 9. График изменения механических

свойств углеродистой стали в зависимости

от содержания углерода

(в нормализованном состоянии)