Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка» Методические указания к лабораторной работе «диаграмма железо-цементит. Структура сталей в равновесном состоянии»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальности 151001 «Технология машиностроения»

направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС

Протокол № 8 от 25.05.2010 г.

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Рыбинск, 2010

Диаграмма железо-цементит. Структура сталей в равновесном состоянии

Цель работы:

Познакомиться с диаграммой состояния «железо‑цементит», фазами и структурами, образующимися в этой системе. Изучить структуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии.

1. Общие сведения

1.1. Диаграмма состояния «железо‑цементит»

Диаграмма состояния системы «Fe–C» занимает особое место в металловедении, так как она является базой для анализа формирования структуры самых распространенных промышленных сплавов – сталей и чугунов. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода – чугунами.

В сплавах железа с углеродом существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния: метастабильную – «Fe – Fe₃С» и стабильную – «Fe – C». На диаграмме состояния «железо-цементит» даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до 6,67 % углерода, концентрация цементита изменяется от 0 % до 100 % (рис. 1).

На диаграмме «Fe – Fe₃С» концентрация углерода (по массе) для характерных точек следующая: Q – 0,006 %, P – 0,02 %, S – 0,8 %, E – 2,14 %, C – 4,3 %, L – 6,67 %.

Перитектический участок вверху слева диаграммы на горизонтали содержит слева направо точки H, J, B. Этот участок мало влияет на структуру и свойства сталей, поэтому его часто не изображают, оставляя только верхнюю точку – А.

Эвтектическая горизонталь ECF соответствует температуре 1147 °С. При данной температуре из жидкости состава С одновременно выделается аустенит состава Е и первичный цементит концентрации F; формируется эвтектика – ледебурит. Над этой горизонталью находится линия ликвидуса – AC и CD, первая соответствует началу выделения из жидкости аустенита, вторая – выделению из жидкости первичного цементита. К краю эвтектической горизонтали приходит линия солидуса AE, она соответствует полному затвердеванию расплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния «Fe – Fe₃С»

Линию GS, соответствующую окончанию превращения феррита в аустенит при нагреве обозначают А_С3. При охлаждении аустенита и начале его превращения в феррит линию GS обозначают Аr₃.

Линия SE показывает начало образования в аустените вторичного цементита при охлаждении стали, т. е. это линия предельной растворимости углерода в аустените. Линия обозначается А_cm.

При температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение – это одновременное выделение двух твердых фаз из исходной твердой фазы: высокотемпературная фаза аустенит состава S распадается одновременно на цементит состава в точке E и феррит состава в точке P, температура сплава остается постоянной до окончания эвтектоидного превращения. Формируется эвтектоид – перлит, среднее содержание углерода в перлите составляет 0,8 %. Линию PSK называют – эвтектоидная горизонталь и обозначают – А_С1.

При концентрации углерода от 0 % до 0,8 % стали называют доэвтектодные стали, при концентрации углерода ровно 0,8 % – эвтектоидные стали, при большей концентрации от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидные стали. Если углерода менее 0,02 %, то такой сплав называют техническим железом. Выделение третичного цементита при температурах ниже линии PQ, резко снижает пластичность стали по сравнению с чистым ферритом состава Q.

При температуре 1147 °С в системе «железо-цементит» образуется эвтектика, линия ECF – эвтектическая горизонталь. Эвтектику называют ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита и цементита. Следует понимать, что аустенит, входящий в состав чугунов, как в первичных дендритах, так и в ледебурите, также распадается на феррит и цементит. Поэтому при температуре ниже 727 °С все сплавы углерода состоят из феррита и цементита. Чугуны, содержащие от 2,14 % до 4,3 % С называют доэвтектические чугуны, с концентрацией углерода ровно 4,3 % – эвтектические чугуны,  с концентрацией углерода от 4,3 % до 6,67 % – заэвтектические чугуны.

1.2. Фазы и структуры в системе «железо‑углерод»

При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в -Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) –  это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe₃С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe₃C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe₃C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит (от лат. pearl – жемчужина).

а) б)

Рис. 2. Микроснимок структуры (а) и схематический разрез (б) колонии перлита

Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем мельче пластины эвтектоидной смеси, такие структуры получили отдельные названия сорбит и троостит, соответственно.

При дальнейшем увеличении скорости охлаждения диффузионный распад на феррито-цементитную смесь не успевает произойти. В результате бездиффузионного превращения аустенита образуется очень твердая, хрупкая фаза мартенсит с игольчатой структурой (рис. 3, а,б).

Рис. 3. Микроструктура аустенита (а) и мартенсита (б), 500

В соответствии с диаграммой состояния стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8 % углерода), эвтектоидные и заэвтектоидные (свыше 0,8 % углерода). Эти группы отличаются структурой, свойствами и назначением.

Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода от 0 % до 0,005 % представляет собой феррит (рис. 4, а). Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,2 % – 0,3 % представляет собой смесь зерен феррита и перлита, при повышении концентрации углерода до 0,45 % – 0,55 %, зерна феррита в виде хлопьев располагаются по границам исходного аустенитного зерна и окружают колонии перлита (рис. 4, б).

Эвтектоидная сталь с концентрацией углерода 0,8 % имеет структуру перлита (рис. 4, в), заэвтектоидная сталь с 1,1 % углерода представляет собой колонии перлита, окруженные по границам тонкой светлой сеткой вторичного цементита (рис. 4, г).

а)	б)
в)	г)

Рис. 4. Микроструктура феррита (а), доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,45 % – 0,55 % (б), эвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,8 % (в), заэвтектоидной стали с концентрацией углерода 1,1 % – 1,3 % (г), 500

2. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛОНЕНИЯ РАБОТЫ

Образец 1. Сталь 20 (0,24 % С) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь.

Микроструктура стали 20 в отожженном состоянии состоит из зерен феррита и перлита. Перлит занимает около 25 % площади шлифа (рис. 5). Сталь имеет невысокую прочность ( НВ 163).

Х 200 Х 1500

Рис. 5. Микроструктура стали 20: феррит и перлит

Эта сталь относится к низкоуглеродистым, она пластичная, хорошо сваривается и штампуется. Для увеличения поверхностной прочности эту сталь цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например, зубчатых колес, кулачков. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изделий, а сердцевина при этом становится пластичной и вязкой.

Образец 2. Сталь 60 (0,62 %) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь. Это среднеуглеродистая термоулучшаемая сталь. Структура стали состоит из перлитных зерен, окруженных ферритной оторочкою. Перлит занимает около 75 % площади шлифа. В связи с большим содержанием углерода сталь 60 имеет более высокую твердость и прочность, чем сталь 20 ( НВ 240). Стали 55,60, 70 применяют в качестве рессорно-пружинных материалов. Термическая обработка состоит из закалки и среднего отпуска, структура троостит отпуска.

Образец 3. Сталь У8 (0,76 %) – эвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Сталь эвтектоидная и поэтому должна иметь чисто перлитную структуру. Однако фактическое содержание углерода 0,76 % немного меньше эвтектоидного, что проявляется в небольшом количестве светлых выделений феррита. На микроструктуре хорошо заметно, что перлит – сложная составляющая, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Темные пластинки, видимые в перлите – тени, отбрасываемые пластинками цементита после травления. Поэтому при небольших увеличениях перлит кажется сплошной темной массой, хотя в действительности образующие его феррит и цементит являются светлыми. Эта сталь в отожженном состоянии имеет следующие свойства: НВ 250.

Сталь У8 – инструментальная сталь и подвергается термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска, после которой она приобретает твердость НRC 62-64. Основное назначение стали – измерительный инструмент.

Образец 4. Сталь У12 (1,15 %) – заэвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Ее структура состоит из перлитных зерен, которые окружены светлой сеткой вторичного цементита. В отожженном состоянии сталь имеет следующие свойства: НВ 260.

Инструмент из этой стали подвергается закалке и низкому отпуску, сталь приобретает твердость HRC 63-65. Сталь применяют для измерительного инструмента и для режущего инструмента с температурой на режущей кромке не более 180 °С.