Лабораторная работа № 4
МИКРОСТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ УГЛЕРОДИСТОЙ
СТАЛИ В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
Цель работы: изучить микроструктуру стали в зависимости от содержания углерода.
4.1 Теоретические сведения
Сталями называют железоуглеродистые сплавы, содержащие менее двух процентов углерода. Углерод является основным компонентом, влияющим на микроструктуру и свойства стали. После отжига, т. е. в равновесном состоянии, фазовый состав и микроструктура стали соответствуют диаграмме состояния «железо - углерод (цементит)» (рисунок 4.1).
4.1.1 Фазы в железоуглеродистых сплавах
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14 % (точка Е на диаграмме состояния – рисунок 4.1). Аустенит имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК) и устойчиво существует при температурах выше 727 ºС (выше линии РSK – рисунок 4.1).
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе. Максимальная растворимость углерода в α-железе составляет всего 0,025 % (точка Р – рисунок 4.1). Феррит имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК) и устойчиво существует при температурах ниже 911 ºС (точка G – рисунок 4.1). Из-за малого содержания углерода свойства феррита близки свойствам железа. Твердость феррита – 50...100 НВ в зависимости от содержания примесей.
Цементит (карбид железа Fe3С) представляет собой химическое соединение углерода с железом. Цементит содержит 6,67 % углерода (ордината DFKL – рисунок 4.1), имеет сложную октаэдричесую решетку; он хрупок и тверд. Его твердость достигает 800...1000 HV.
При температурах ниже 727 ºС (линия РSК) все железоуглеродистые сплавы имеют одинаковый состав - смесь феррита и цементита. Чем больше углерода, тем больше цементита в стали и выше ее твердость.
Микроструктура стали формируется в процессе охлаждения её на области аустенита при распаде последнего и зависит от содержания углерода.
|
Рисунок 4.1 – Диаграмма состояния «железо - углерод» |
4.1.2 Структурные составляющие в сталях
Феррит имеет однофазную структуру и является продуктом диффузионного распада аустенита при его охлаждении ниже линии GS (см. рисунок 4.1). Например, в сплаве I аустенит превращается в феррит в интервале температур Т1 - Т2 (точки 1 - 2). Феррит, как однофазная структура, при травлении 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте имеет светлую окраску различной яркости. Размер и форма ферритных зерен зависит от характера обработки стали. После отжига в техническом железе и в низкоуглеродистой стали зерна феррита имеют равноосную (полиэдрическую) форму (рисунок 4.2, а, б). В среднеуглеродистых сталях феррит образует отдельные островки или сетку вокруг перлитных зерен (рисунок 4.2, в, г).
Цементит вторичный (ЦII) – однофазная структура – выделяется из аустенита при охлаждении стали ниже линии ЕS вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-железе. Например, в сплаве II из аустенита в интервале температур Т3 - Т4 (точки 2 - 4) выделяется цементит, а аустенит при этом обедняется углеродом. В медленно охлажденной стали цементит вторичный выделяется по границам аустенитных зерен, образуя сетку (см. рисунок 4.1). При травлении 4- процентным раствором азотной кислоты цементит сохраняет ярко-белую окраску (он твердый, хорошо полируется и хорошо отражает световые лучи).
Цементит третичный (ЦIII) выделяется из феррита по линии РQ вследствие уменьшения растворимости углерода в α-железе от 0,025 % углерода в точке Р до 0,006 в точке Q. Как и цементит вторичный, он сохраняет ярко-белую окраску.
Перлит – двухфазная структура – продукт эвтектоидного распада аустенита при температуре 727 ºС (линия РSК – рисунок 4.1.) по схеме
Аs → Ф + ЦII, т.е. Аs → перлит (Ф + ЦII)
Перлит представляет собой смесь феррита и цементита, одновременно образующихся при распаде аустенита эвтектоидного состава (0,83 % углерода). Обычно перлит имеет пластинчатое строение – состоит из чередующихся пластин феррита и цементита, образующих зерна (колонии) перлита (рисунок 4.3, а). Толщина пластин находится за пределами разрешающей способности линз оптического микроскопа, поэтому зерна перлита после травления 4-процентным раствором азотной кислоты окрашиваются в темный цвет (от черного до светло-коричневого). При больших увеличениях (более 600 раз) и в оптический микроскоп можно увидеть, что перлит состоит из чередующихся пластин.
а – техническое железо, феррит; б – сталь 30, феррит и перлит;
в – сталь 45, феррит и перлит; г – сталь 65, перлит и сетка феррита;
д – заэвтектоидная сталь У12, перлит и сетка цементита.
Рисунок 4.2 – Микроструктура стали (х 240) и схема ее зарисовки
а – пластинчатый перлит, б – зернистый перлит.
Рисунок 4.3 – Микроструктура стали (х 800) и схема строения перлита
В низкоуглеродистых сталях, а также после специальной термической обработки в средне- и высокоуглеродистых сталях перлит может иметь зернистое строение. В этом случае дисперсные частицы цементита округлой формы располагаются в ферритной основе (см. рисунок 4.3, б). Твердость перлита в зависимости от толщины пластин равна 180 - 220 НВ.