Изучение микроструктур углеродистых сталей в отожжённом состоянии

Лабораторная работа № 1

Изучение микроструктур  углеродистых сталей в отожжённом состоянии.

Цель работы:

1. Изучить структуру углеродистых сталей в равновесном состоянии.

2. Научиться определять примерный химический состав углеродистых сталей в равновесном состоянии.

3. Ознакомиться с классификацией и маркировкой углеродистых сталей.

Оборудование: Микроскопы МИМ-7 и МИМ-8 и микрошлиф углеродистых сталей, альбом микроструктур.

 

Контрольные вопросы

1. Чем можно объяснить большую растворимость углерода в g-железе по сравнению с a-железом?

2. Какие фазы возникают в системе Fe-Fe3C и Fe-C?

3. Постройте кривые охлаждения для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали и для доэвтектического чугуна?

4. Как структурный и фазовый состав стали и чугуна зависит от содержания углерода и температуры?

5. Указать основные факторы, влияющие на процесс графитизации.

6. Как влияет углерод на конструктивную прочность стали?

7. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в сталях?

8. Каким требованиям должна отвечать конструкционная углеродистая сталь?

9. Укажите стали инструментальные для режущего инструмента.

10. Укажите стали инструментальные для штампов.

11. Укажите детали машин, которые производят из конструкционных углеродистых сталей?

12. Укажите детали машин, которые производят из инструментальных углеродистых сталей?

13. Каким требованиям должна отвечать инструментальная углеродистая сталь?

14. Как маркируют углеродистые стали?

15. Как влияет углерод на свойства углеродистых сталей?

 

Ответы:

Рис. 1 Диаграмма железо-углерод

1. Железо — металл серебристо-белого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, а технические сорта 99,8—99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо известно в двух полиморфных модификациях α и γ. α-железо существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С . Для интервала температур 1392— 1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Кристаллическая решетка α-железа — объёмно-центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.

Кристаллическая решетка γ-железа - гранецентрированный куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910 °С. Плотность железа выше, чем железа, и равна 8,0-8,1 г/см3. При превращении α-γ происходит сжатие. Объемный эффект сжатия составляет примерно 1%.

Аустенит – это твёрдый раствор углерода в  g-железе. Максимальная растворимость углерода в аустените при температуре 1147 °С составляет 2,14%. (рис.1) Справа линии GPQ - область существования феррита.

Феррит - это твердый раствор  углерода в -железе. На линии PSK (727 °С) происходит эвтектоидная реакция, заключающаяся в преобразовании аустенита состав точки S в эвтектоидную смесь феррита точки Р (0,02% С) и цементита (6,67% С). Эта смесь называется перлитом.

Различные объемы элементарных сфер в объемно-центрированный куб и гране-центрированный куб решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в γ-железе по сравнению с α-железом. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

 

2. На рис.2 представлен вариант диаграммы состояния «железо-цементит» (стальная часть). Согласно диаграмме состояния «железо-цементит» (стальная часть) сплавы в зависимости от состава и температуры могут иметь в своей структуре следующие фазы и структурные составляющие. При температурах выше линии АС все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже линии АЕ все сплавы находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

В системе железо-углерод (Fe-С) различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы — феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой).

Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной  кубической решеткой).

Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза).

Графит стабильная высокоуглеродистая фаза.

Рис.2

 

 

3.

Кривая охлаждения доэвтектоидной стали.

Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 %С , начинается в  точке 1, где в жидкой фазе зарождаются  первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита - по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение аустенита - выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной - 0,8%С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение A → Ф_Р +Ц аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П +Ц_III (феррито-перлитная).

Количественное соотношение между  ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем  больше перлита).

Кривая охлаждения заэвтектоидной стали

Кристаллизация заэвтектоидных сталей начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита - по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3-4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С. На линии SK (на кривой - площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже точки 4 из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура  П +Ц_II +Ц_III  - перлито-цементитная.

Кривая охлаждения доэвтектического чугуна

Доэвтектические чугуны начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава - линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147°С оставшийся  расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемая ледебуритом L_C →А_E+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При дальнейшем охлаждении (участок 2 - 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727°С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3*). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Л_вид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Л_вид+Ц_II, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

4.

Свойства сталей зависят от их состава  и структуры, которые формируются  присутствием и процентным содержанием  следующих составляющих.

Углерод — составная часть, с  увеличением содержания которой  в стали увеличивается её твердость  и прочность, при этом пластичность уменьшается.

Кремний и марганец (в пределах 0,5...0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают.

Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность, и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

Фосфор предоставляет стали хладноломкости (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию.

Феррит — железо с  объёмно-центрированная кристаллической  решеткой и сплавы на его основе — является фазой мягкой и пластичной.

Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, предоставляет стали твердость  и хрупкость.

Перлит — эвтектоидная смесь двух фаз — феррита и  цементита, содержит 1/8 цементита и  поэтому имеет повышенную прочность  и твердость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом  науки о стали, как сплава железа с углеродом, является диаграмма  состояния сплавов железо-углерод  — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

 

5.

Графит – это полиморфная  модификация углерода. Так как  графит содержит 100% углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование  цементита из жидкой фазы и аустенита  должно протекать легче, чем графита.

С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более  стабильной фазой, чем цементит.

Возможны два пути образования  графита в чугуне.

При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

При разложении ранее образовавшегося  цементита. При температурах выше 738oС  цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме: Fe₃C® 3Fe_g(C) +C(графит).

При температурах ниже 738⁰С разложение цементита осуществляется по схеме: Fe₃C® 3Fe_α(C) +C(графит).

При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.

Выделение вторичного графита из аустенита  называют промежуточной стадией  графитизации.

Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов зависит от степени  графитизации, т.е. от того, сколько  углерода находится в связанном  состоянии.

Выдержка при температуре больше 738⁰С приводит к графитизации избыточного не растворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

При незавершённости процесса первичной графитизации, выше температуры 738⁰С структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую  точку превращения аустенита  в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью, то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.

Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12%. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8%.