Лабораторая работа «Структура и свойства сталей в равновесном состоянии»
Цель работы:
- изучение микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии,
- определение марки сталей,
- установление связи между структурой стали, диаграммой состояния Fe-Fe3C и свойствами сплавов.
1. Равновесные состояния сплава
Равновесное состояние сплава, описываемое соответствующей диаграммой равновесия, может быть достигнуто охлаждением сплава с бесконечно малыми скоростями в этом случае при любой произвольно выбранной температуре сосуществующих фаз содержание в них компонентов вполне определенное. Каждая фаза сплава гомогенна. Размеры и морфология фазовых выделений определяются минимальными значениями поверхностной энергии.
Равновесные структуры сталей и превращения в них описываются диаграммой состояния системы железо – цементит (рис. 1). Фазовые превращения в сталях, наблюдаемые на практике, протекают при температура отличающихся от температур, соответствующих равновесному состоянию, зависят от реальной скорости охлаждения сплава. Допустимо считать, равновесные структуры в сталях формируются также при реальных малых скоростях охлаждения, например при охлаждении вместе с выключенной печью, в которой они нагревались до температур, соответствующих аустенитной области диаграммы Fe-Fe3C.
Рис. 1. Диаграмма состояния железо – цементит
2. Зависимость свойств стали от содержания углерода
Техническое железо, как видно из диаграммы состояния (рис. 5.4, а), может быть однофазным (Ф) или двухфазным (Ф + ЦIII). Округлые зерна феррита при протравливании шлифа 4...6-процентным раствором азотной кислоты в спирте имеют цвет светлой соломы. Светло-голубой Цщ располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита. Феррит мягок и пластичен (σВ = 200...300 МПа, σт = 120...300 МПа, δ = 30...50 %, ψ = 60...85 %, 80... 100 НВ). Цементит тверд (800 НВ) и хрупок, разрушение при растяжении происходит практически без удлинения образца.
В структуре сталей по мере увеличения содержания углерода возрастает массовая доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали, к снижению ее пластичности (рис. 2), изменению физических и технологических свойств. К технологическим свойствам сплавов относятся свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением, стойкость к изнашиванию, восприимчивость к закалке и некоторые другие. Например, стали с содержанием углерода до 0,37 % хорошо свариваются, с повышением содержания углерода свариваемость ухудшается. Стойкость сталей к изнашиванию, наоборот, возрастает при увеличении содержания углерода в них.
Рис. 2. Зависимость механических свойств стали от содержания в ней углерода
3. Структура и свойства стали в равновесном состоянии
Стальные сплавы по содержанию углерода и структуре в равновесном состоянии подразделяются на:
- доэвтектоидные, содержащие углерода до 0,8%;
- эвтектоидные – 0,8%;
- заэвтектоидные от 0,8 до 2,14%.