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%.

3.1. Доэвтектоидные стали

В равновесной структуре доэвтектоидных сталей, состоящих из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна), пропорционально увеличению содержания углерода растет доля перлита (рис. 3, а, б, в). В последнем нахо­дится практически весь углерод стали, поскольку в феррите при комнатной температуре углерода крайне мало (10^-7 %). Если допустить, что значения плотности феррита и цементита соизмеримы, то по структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можно определить содержание в ней углерода. Для этого при любом рекомендуемом увеличении микроскопа определяется площадь поверхности шлифа стали, занятой перлитом. Например, она составляет 50 %.

Зная, что в перлите содержится 0,8 % углерода, из пропорции

100 %П – 0,8% С,

можно определить содержание углерода в стали Х= 0,8x50/100 = 0,40 %. Зачем определяется марка углеродистой стали. По ГОСТ 1050-88 сталь, содержащая 0,4 % С, является качественной конструкционной марки 40.

3.2. Эвтектоидные стали

Сталь, структура которой состоит только из перлита, содержит 0,8 % углерода и называется эвтектоидной. Перлит (перламутр) является двухфазной структурной составляющей, представляющей собой смесь феррита и цементита пластинчатого (рис. 4, а) или зернистого (рис. 4, 6) строения. Пластинчатый перлит состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Они образуются при температуре 727°С на границах зерен

а б в

Рис. 3. Микроструктура доэвтектоидных сталей с различным содержанием углерода:

а – 0,2 % С; б – 0,45 % С; в – 0,8 % С; х200

а

б

Рис. 4. Микроструктура эвтектоидной стали:

а – пластинчатый перлинг; б - зернистый перлит; х2000

исходной высокотемпературной фазы (аустенита) и растут одновременно по направлению от границ к центру аустенитного зерна. В результате аустенитное зерно разделяется на несколько частей с определенной, но различной относительно друг друга ориентировкой взаимно параллельных пластинок феррита и цементита. Каждая такая часть представляет собой пер­литное зерно. Следовательно, в одном аустенитном зерне при эвтектоидном превращении формируется несколько зерен перлита.

Перлит состоит из двух фаз – феррита и цементита, обладающих различной твердостью, полируемостью и травимостью в реактивах. При полировке и травлении шлифа на его поверхности создается рельефность. Твердые, малотравящиеся пластины цементита выступают над ферритными и остаются светлыми и блестящими. Утопающий между ними мягкий феррит оказывается затененным и, кроме того, из-за повышенной травимости, тусклым и темным. Поскольку в перлите содержится сравнительно мало (около 9 %) цементита, перлит в сталях (и в белых чугунах) при микроскопическом исследовании выглядит темным, но не черным, как различного рода пустоты.

Перлит зернистый всегда светлый, цементит в нем имеет округлую форму. Зернышки (сфероиды) цементита расположены в ферритной матрице. Структуру перлита зернистого после специальной термической обработки могут иметь не только эвтектоидная, но и до- и заэвтектоидные стали. Поэтому определять содержание углерода в стали по структуре зернистого перлита не рекомендуется. Зернистый перлит имеет меньшую твердость (160...220 НВ), чем пластинчатый (200...250 НВ), лучше обрабатывается резанием.