Работа № 4. Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии.

Цель работы. Изучить диаграмму состояния системы же­лезо—углерод и микроструктуру отожженных углеродистых сталей. Установить влияние углерода на механические свой­ства железоуглеродистых сплавов и ознакомиться с класси­фикацией и назначением углеродистых сталей.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ.

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов яв­ляются железо и углерод.

Железо обладает полиморфизмом—способностью изме­нять тип кристаллической решетки при изменении температу­ры. При нормальной температуре железо имеет решетку объ­емно-центрированного куба, обозначается Fe« и обладает магнитными свойствами. При температуре 768 °С железо те­ряет магнитные свойства. При температуре 910 °С происходит первое полиморфное превращение железа. Объемно-центриро­ванный куб переходит в гранецентрированный куб. Эта моди­фикация обозначается Fey . Свойства железа меняются: оно приобретает особую пластичность, вяздость, увеличивается способность растворять углерод, но остается немагнитным.

Второе аллотропическое превращение происходит при тем­пературе 1401 °С. Кристаллическая решетка Fe^ вновь пере­ходит в объемно-центрированную кубическую решетку, но ос­тается немагнитным. Эту модификацию железа обозначают Fes .При охлаждении железа полиморфные превращения про­исходят в обратной последовательности.

Углерод в сплавах с железом образует жидкий раствор, твердые растворы внедрения и химическое соединение FeзС.

Твердый раствор внедрения углерода в Fe« называется ферритом. Растворимость углерода в Fe„ невелика и меняет­ся от 0,01 % при нормальной температуре до 0,025 % при тем­пературе 727 °C. Твердый раствор внедрения углерода в Fe^ называется аустенитом. Растворимость углерода в Fey зави­сит от температуры и изменяется от 0,8 % при температуре 727 °C до 2 % при _{температуре} 1147 °C.

Химическое соединение железа с углеродом, карбид желе­за FeзС называется цементитом. Цементит содержит 6,67 %

углерода и имеет сложную орторомбическую решетку типа алмаза, с очень сложным строением элементарной кристалли­ческой ячейки.

Общий вид диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в упрощенном виде приведен на рис. 19 (в левом верхнем углу диаграммы опущены линии, учитывающие пре­вращения Fes =p*:Fey). Эта диаграмма охватывает сплавы, со­держащие углерода до 6,67 % С, т. е. до цементита, который играет роль самостоятельного компонента. Поэтому эту диа­грамму часто называют диаграммой Fe— FeзС.

Линии диаграммы

На линиях диаграмм Fe-Fe₃C протекают процессы первичной и вторичной кристтализации АСD и АЕСF, остальные относятся к линиям вторичной кристаллизации.

ACD—линия ликвидуса. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии и содержат одну фазу—жид­кий раствор. Эта линия состоит из двух участков АС и CD:

АС—линия начала кристаллизации аустенита;

CD—линия начала кристаллизации первичного цементита.

AECF— линия солидуса. Ниже этой линии сплавы нахо­дятся в твердом состоянии. На участке АЕ заканчивается кри­сталлизация аустенита, а на участке ECF заканчивается кри­сталлизация аустенита у доэвтектических сплавов и цементи­та у заэвтектических сплавов, и образуется эвтектика, назы­ваемая ледебуритом.

Линия ECF является эвтектической линией. Ледебурит состоит из однородной механической смеси аустенита и це­ментита и образуется при температуре 1147 °С из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С.

GOS—линия начала перекристаллизации (вторичной кри­сталлизации) аустенита в феррит, вызванной полиморфным превращением Fe^ в Fe„. . На участке GO аустенит начинает превращаться в феррит р, а на участке OS в феррит я.

SE— линия начала выделения вторичного цементита из аустенита, или линия предельной растворимости углерода в железе у. GMP—линия конца-перекристаллизации аустенита в феррит.

РSK — эвтектоидная или перлитная линия. На этой линии заканчивается выделение феррита или цементита из аустени­та и происходит превращение аустенита в перлит.

Перлит (эвтектоид) состоит из однородной механической смеси феррита и цементита, образуется при температуре 727 °С из аустенита, содержащего 0,8 % С.

PQ – линия предельной растворимости углерода в желе­зе ст или линия начала выделения третичного цементита из феррита.

Рис. 16. Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов

Линии диаграммы делят ее на области, характери­зующиеся определенным фазовым или структурным состоя­нием. На рис. 16 указан фазовый или структурный состав по областям диаграммы.

Микроструктура железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % углеро­да, называются сталями, а сплавы, содержащие более 2,14 % уг­лерода, называются чугунами.

Рассмотрим превращения при перекристаллизации в ста­лях. После затвердевания стали с любым содержанием угле­рода имеют структуру аустенита. При дальнейшем охлажде­нии стали аустенит распадается на две фазы: феррит и це­ментит, и конечная структура будет зависить от содержания углерода в стали.

У железоуглеродистых сплавов, содержащих менее 0,025 % углерода (точка Р на рис.16), эвтектоидное превращение от­сутствует. При охлаждении в области между линиями GOS и GMP в этих сплавах происходит полиморфное превраще­ние Feв – Feч , т. е. аустенит превращается в феррит. При дальнейшем охлаждении, в соответствии с линией PQ, раст­воримость углерода в Fe» уменьшается, из феррита по грани­цам зерен выделяется третичный цементит. Выделение тре­тичного цементита вызывает хрупкость материала. В произ­водстве малоуглеродистого технического железа применяют специальную термообработку, чтобы избежать пограничных выделений третичного цементита .Структура чистого железа представлена на рис. 17.

Рис. 17. Микроструктура тех­нически чистого железа.

В зависимости от структуры стали делятся на эвтектоидные (0,8 % углерода), доэвтектоидные (менее 0,8 % углерода) и заэвтектоидные (более 0,8 до 2,14 % углерода).

У эвтектоидной стали, при ее охлаждении, аустенит до температуры 727е С (линия Р S К.) не распадается. В ней вся масса аустеннта при этой температуре переходит в эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом. Характерным для перлита является чрезвычайная дисперс­ность, благодаря чему его строение становится ясно различи­мым только при увеличении более чем в 500 раз.

В зависимости от формы цементита различают перлит пластинчатый (рис. 18) и перлит зернистый (рис. 19). Зернистый перлит получают путём специальной термической обработки инструментальной стали.

Рис. 18. Микроструктура плас­тинчатого перлита. Эвтектоидная сталь.

Рис. 19. Микроструктура зернистого перлита. Эвтектоидная сталь.

У доэвтектоидных сталей при охлаждении в области меж­ду линиями GOS и PS выделяется феррит. В результате этого концентрация углерода в остающемся аустените увели­чивается по линии GOS и при температуре 727 °С достигает эвтектоидного состава. На линии PS происходит аустенитно-перлитное превращение, оставшийся аустенит превращается в перлит. Таким образом, структура доэвтектоидной стали состо­ит из феррита и перлита. Причём количество феррита умень­шается с увеличением содержания углерода (рис. 20 и 21).

Рис. 20. Микроструктура доэв­тектоидной стали, содержащей 0,2 % углерода: светлые зерна— феррит, заштрихованные участ­ки—перлит.

Рис 21. Микроструктура доэвтектоидной стали, содержащей 0,6 % углерода.

У заэвтектоидных сталей при охлаждении в области; между линиями SE и SK из аустенита выделяется цементит, в результате чего концентрация углерода в остающемся аустените уменьшается и при температуре 727 °С достигает эвтектоидного состава. На линии PS происходит аустенитно-перлитноё превращение. Аустенит полностью превращается в перлит. Таким образом, структура заэвтертоидной стали состоит из перлита и цементита, который обычно располагается в виде тонкой прерывистой сетки, окаймляющей участки перлита (рис. 22).

Рис. 22. Структypa заэвтектоидной стали, содержащей 1,2 % углерода , состоящая из зёрен перлита и расположенных между ними прослоек цементита.

Практическое применение находят стали, содержащие уг­лерода до 1,4 %.

Чугун в зависимости от содержания в нем углерода делит­ся на эвтектический (4,3 % углерода), доэвтектический (менее 4,3 % углерода), заэвтектический (более 4,3 % углерода).

Эвтектический чугун .кристаллизуется при постоянной тем­пературе —1147 °С с образованием эвтектики, называемой ледебуритом, который состоит из аустенита и цементита.

Доэвтектический чугун после кристаллизации имеет струк­туру аустенита и ледебурита.

Заэвтектический чугун после кристаллизации имеет струк­туру цементита первичного и ледебурита.

При охлаждении чугуна между линиями ЕСF и SК, структурные изменения как и у заэвтектоидной стали связаны с понижением растворимости углерода в аустените от 2 до 0,8 % и выделением вторичного цементита, а на линии SК с превращением аустенита, содержащего 0,8 % С, в перлит. Эти структурные превращения приводят к изменению структуры ледебурита. При охлаждении между линиями ECF и SК в нем увеличивается количество цементита, а на линии SK происходит перлитно-аустенитное превращение. Поэтому низ­котемпературный ледебурит в отличие от высокотемператур­ного состоит из перлита и цементита и обычно обозначается Л!. Доэвтектический чугун в результате указанных превращений имеет структуру перли­та, цементита вторичного и ледебурита.

Влияние углерода на строение и свойства стали.

Пользуясь диаграммой состояния и зная распределение фаз и структурных составляющих в сплавах, можно предста­вить как должны изменяться свойства в сталях в зависимости от содержания углерода. Все железоуглеродистые сплавы при нормальной температуре в равновес­ном состоянии представляют смесь двух фаз — феррита и цементита. С увеличением содержания цементита , имеющего высокую твёрдость, возрастают твёрдость и прочностные свойства сталей. Одновременно снижаются пластические характеристики ( относительное удлинение и относительное сужение) и ударная вязкость. Зависимость механических свойств сталей от содержания углерода представлена на рис. 23.

Рис. 23. Влияние содержания углерода на механические свойства стали в отожженном состоянии

Из графика, приведенного на рис. 26, видно, что линейная зависи­мость механических свойств от содержания углерода в стали имеет место только для твердости. Предел прочности до­стигает максимума при содержании углерода около 1 % и да­лее снижается по мере увеличения углерода. Это объясняет­ся увеличением содержания цементита, который приводит к хрупкости стали, если залегает в виде сплошной сетки вокруг участков перлита. При испытании на растяжение хрупких ма­териалов получается преждевременное их разрушение. По­этому стали, содержащие более 1,4 % углерода, не находят практического применения. Механические свойства стали за­висят также от формы и размеров феррито-цементитной смеси. Чем мельче частички феррито-цементитной смеси, тем вы­ше твердость и прочность стали. Зернистая форма цементита в перлите по сравнению с пластинчатой при одинаковой твер­дости обладает более высокой пластичностью и вязкостью.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистая сталь по применению делится на конструк­ционную и инструментальную.

Конструкционная сталь содержит 0,06—0,85 % углерода и применяется для изготовления деталей машин, подвижного состава железных дорог и строительных .конструкций.

Инструментальная сталь содержит 0,7—1,40 % углерода и применяется для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 0,06 %, как конструкционный материал из-за низкой прочности не применяются. Этот материал применяется только в элек­тротехнической промышленности и выпускается по специаль­ным техническим условиям.

В зависимости от содержания вредных примесей — серы, фосфора и др., углеродистые стали делятся на три группы:

1. Обыкновенного качества, содержащие 0,055—0,07 % се­ры и 0,045—0,09 % фосфора.

2. Качественные, содержащие менее 0,04 % серы и менее 0,04 % фосфора.

3. Высококачественные, содержащие менее 0,02 % серы и менее 0,03 % фосфора.

Углеродистая сталь общего назначения выпускается в ви­де фасонных профилей, горячекатанных прутков, листов и проволоки по трем ГОСТам.

ГОСТ 380—71. Сталь углеродистая .конструкционная обыкновенного качества. Выпускаются следующие марки:

Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, содержащие угле­рода от 0,06 % у Ст. 1, до 0,62 % у Ст. 6.

В зависимости от назначения и гарантируемых ГОСТом характеристик, механических свойств и химического состава эти стали подразделяются на основные группы А, Б и В.

Сталь группы А поставляется с гарантированными меха­ническими свойствами. Она предназначена для изготовления деталей, которые не подвергаются горячей обработке давле­нием. Это в основном крепёжные детали : болты, гайки , винты, шайбы.

Сталь группы Б гарантирует определенный химический состав. Она предназначена для деталей, подвергаемых горя­чей обработке давлением, и для сварных конструкций.

В сталях группы В гарантируются механические свойства и хи­мический состав. Они предназначены для ответственных свар­ных конструкций.

ГОСТ 1050—74. Сталь углеродистая качественная, конст­рукционная, выпускается с гарантированным химическим со­ставом и механическими свойствами. Эта сталь делится на две группы:

I группа—следующие марки: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

II группа выпускается с повышенным содержанием мар­ганца, который увеличивает прочность и прокаливаемость стали. Марки стали: 15Г, 20Г, 2ЭГ, ЗОГ, 40Г, 50Г, 60Г, 65Г, 70Г, 20Г2, ЗОГ2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2. Буквой Г обозначает­ся марганец, а цифры после буквы показывают среднее со­держание марганца в процентах.

ГОСТ 1435—75. Сталь инструментальная углеродистая вы­пускается с гарантированным химическим составом следую­щих марок: У7, У8, У9, У10, У12, У13. Цифра в обозначении марки стали показывает среднее содержание углерода в деся­тых долях процента. Для повышения прокаливаемости инст­рументальные стали выпускаются с повышенным содержанием марганца, например У8Г, У10Г. По содержанию вредных при­месей сталь выпускается как качественная или как высоко­качественная. В последнем случае в конце марки стали до­бавляется буква А, например У8А, У10А.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Вычертить диаграмму состояния железо—цементит.

2. Описать линии диаграммы и строение сплавов во всех областях диаграммы.

3. Дать определение всем структурным составляющим сталей и чугунов.

4. Изучить микроструктуру семи образцов стали на шли­фах № 1, 2, 3, 4, 7 при увеличении в 150 раз и № 5, 6 при увеличении в 500 раз.

Примечание. Пункты 1—3 выполняются студентами в по­рядке подготовки к лабораторной работе.

ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ

По каждому микрошлифу отчет о выполненной работе должен содержать:

1. Наименование структурных составляющих,

2. Схематично зарисованную структуру.

3. Содержание структурных составляющих в процентах.

4. Содержание углерода в стали. Для подсчета содержа­ния углерода в доэвтектоидной стали пользуются формулой

С = 0,8 * П / 100

а для заэвтектоидной стали формулой

С = 0,8*П / 100 + ( (100-П) *6,67) / 100.

где П—-площадь, занимаемая на микрошлифе перлитом в %;

(100—П) —площадь занимаемая цементитом;

0,8—содержание углерода в перлите;

6,67—содержание углерода в цементите.

5. Марку стали и ее механические свойства: для конструк­ционной стали Og, o„ 8, ^, а„, а для инструментальной стали НВ. Марка стали и её механические свойства определяются по содержанию углерода по таблицам из ГОСТов.

6. Область применения исследованных марок сталей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему диаграмма железоуглеродистых сплавов строится до 6,67 % углерода?

2. Что представляют собой кристаллы твердой фазы, образующиеся при охлаждении сплавов в интервале температур между линиями АС и АЕС, между линиями СО и CFf

3. Какое превращение происходит на линии ECF'? Какие фазы обра­зуют эвтектику?

4. Какие превращения начинаются на линиях GS и SE , где они заканчиваются и чем они обусловлены?

5. Какое превращение происходит на линии PSK,?

6. Какие фазы образуют эвтектоид?

7. Дать определение фазовых и структурных составляющих железо-углеродистых сплавов?

8. В какой области выделяется первичный, вторичный и третичный цементит? Каково их влияние на свойства сплавов?

9. Что такое первичная и вторичная кристаллизация?

10. Укажите на диаграмме области одно- и двухфазного состояния. Какие фазы находятся на линии диаграммы ECF и Р 5л?

11. Постройте кривые охлаждения сплавов, содержащих 0,02; 0,5; 0,8;

1,5 %' С и опишите, какие превращения происходят в этих сплавах при их охлаждении и нагревании.

12. Определите соотношение феррита и перлита в стали, содержащей 0,5 % С и соотношение перлита и цементита в стали, содержащей 1,5 % С?

13. Как влияет углерод на механические свойства стали?

14. Какова область применения углеродистых сталей с различным со­держанием углерода?

15. Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродис­тые стали?