Микроструктурный анализ углеродистой стали

1 Цель работы

Получить навыки в проведении микроанализа структур углеродистых сталей, определении по ним типа сплава, содержания углерода, примерной марки стали.

2 Задание

2.1 Изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтекотидных сталей.

2.2 Зарисовать схемы микроструктур.

2.3 Определить по микроструктуре примерное содержание углерода в доэвтектоидной стали.

2.4 Установить значение механических свойств сталей.

3 Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографические микроскопы МИМ-7.

2. Комплект микрошлифов углеродистых сталей.

3. Плакаты с изображением микроструктур углеродистых сталей.

4. Плакат «Диаграмма железо-цементит».

4 Общие сведения

Технически чистое железо - сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0,025%. Его структура состоит из светлых зёрен феррита, разделённых границами тёмного цвета.

Сталь - железоуглеродистый сплав, содержащий углерод от 0,025 до 2,14%.

Микроструктура углеродистых сталей, полученная после медленного охлаждения (отжига), характеризуется равновесным состоянием, т.е. состоянием, при котором все диффузионные процессы в сплаве полностью завершены. Эта микроструктура может быть определена по левой нижней части диаграммы состояния « железо-цементит» (рисунок 1).

По структуре в равновесном (отожженном) состоянии в зависимости от содержания углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Рисунок 1 «Стальной» участок диаграммы состояния сплавов «железо-цементит» («железо-углерод»).

Доэвтектоидные стали содержат от 0,025 до 0,8% углерода и имеют структуру, состоящую из феррита (светлые зёрна) и перлита (тёмные зёрна). Количество перлита в стали изменяется пропорционально содержанию углерода, (рисунок 2).

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода. Структура стали, состоит из зёрен перлита ( эвтектоида ), а зёрна перлита (механическая смесь перлита и цементита) – из чередующихся пластинок феррита и цементита. Такой перлит называется пластинчатым в отличие от зернистого перлита, в котором кристаллики цементита имеют округлую форму (рисунок 2).

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода. Структура стали, состоит из зёрен перлита, окружённых сеткой (оболочкой) вторичного цементита, имеющего белый цвет. Ширина цементитной сетки изменяется пропорционально содержанию углерода. Выделение вторичного цементита по границам зерен перлита нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью и плохо обрабатывается резанием (рисунок 2).

Рисунок 2. Микроструктуры доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) сталей, аустенитного (г) и ферритного (д) классов.

а) содержание углерода 0,35%, структурные составляющие - феррит (светлые зерна) и перлит; б) содержание углерода 0,8%, структурная составляющая - колонии перлита с хорошо различимой пластинчатой структурой; в) содержание углерода 1,2%, структурные составляю­щие - перлит и цементит вторичный (пограничные выделения вторич­ного цементита в виде сплошной тонкой сетки (матрица) по границам зерен бывшего аустенита, превратившегося при медленном охлаждении в крупнопластинчатый перлит); г) структурные составляющие - аустенит (крупные зерна) и выделения феррита (темные включения частично по границам зерен, частично внутри них); д) структурные составляющие - феррит и карбиды третичные.

сетка цементита

Рисунок 3 Схемы микроструктур углеродистых сталей в равновесном состоянии.

По структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можно с достаточной, для практических целей точностью определить процентное содержание углерода, а затем установить примерную марку стали. Этот метод основан на определении величины площадей, занимаемых на микрошлифе ферритом, перлитом и цементитом с последующим расчетом процентного содержания углерода. Принимают содержание углерода в феррите равным нулю, в 100% перлита – 0,8%, а в 100% цементита – 6,67%.

Н апример, пусть в доэвтектоидной стали перлит занимает примерно 30% всей площади микрошлифа, а феррит – 70% (рисунок 2,а). Тогда содержание углерода в стали можно определить из пропорции:

100% перлита – 0,8 % С,

30% перлита – х % С.

Такое содержание углерода в среднем имеет углеродистая конструкционная, качественная сталь марки 25 (ГОСТ 1050-88). Марки углеродистой конструкционной и инструментальной стали и их химический состав приводятся в таблице № 1 и № 2. Определение содержания углерода по структуре заэвтектоидной стали приводит к большой погрешности вследствие трудности оценки величины площади, занимаемым вторичным цементитом.

С изменением содержания углерода в сталях изменяется и количественное соотношение различных фаз. С повышением содержания углерода в стали, увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита. Так, в эвтектоидной стали (0,8% С) содержится 88% феррита и 12% цементита, а в стали с 2,14% С – 68,5% феррита и 31,5% цементита.

Феррит (почти чистое железо) – мягкая и пластичная фаза, имеющая следующие механические свойства: НВ 800; _в = 300 МПа (  30 кгс/мм² ), = 40%, KCU = 2,5 МДж/ м² (25 кгсм/см²).

Цементит (карбид железа Fe₃С), содержащий 6,67% С имеет высокую твёрдость – НВ > 8000, но очень хрупок (пластичность и вязкость практически равны 0). Поэтому с повышением содержания углерода в стали, вследствие увеличения количества твёрдой фазы в структуре и уменьшения количества мягкой фазы, повышается твёрдость и прочность и снижается пластичность и вязкость.

Однако механические свойства определяются не только количеством различных фаз, но и качественным показателем – характером взаимного расположения фаз и структурных составляющих. Так, снижение прочности стали с повышением содержания углерода более 0,8% объясняется образованием вокруг зёрен перлита (структурная составляющая, имеющая высокую прочность _в = 900…1000 МПа), хрупкой сетки (оболочки) вторичного цементита.

Различие в механических и технологических свойствах сталей с различным содержанием углерода определяет их различное назначение (применение) на практике.