Цементит и феррит в перлитных сталях

Перлитная структура в стали

Чтобы понять перлитную структуру рассмотрим сталь с содержанием углерода 0,77 %, например, сталь У8. Если нагреть ее до температуры 800 ºС и выдержать при этой температуре 1-2 минуты, то в высокотемпературном микроскопе она бы выглядела так, как показано вверху рисунка 1 – структура полностью аустенитных зерен.

После охлаждения до температуры ниже А1 – ниже 727 ºС – и выдержки при ней в течение 5-10 минут аустенитные зерна будут полностью заменены совершенно новыми зернами – перлитными, как это показано внизу рисунка 1.

В отличие от аустенитных или ферритных зерен перлитные зерна не являются единой фазой. Более того, они состоят из смеси двух фаз – феррита и цементита, образуя уникальную микроструктуру. Чтобы увидеть все детали этой микроструктуры маленькую область внутри перлитного зерна надо рассматривать при очень высоком увеличении, как это показано справа нижней части рисунка 1.

Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие структурные компоненты:

Феррит (F) представляет собой твердый раствор, содержащий углерод и другие элементы в iron. It имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала, до 0,005% при комнатной температуре. При 727°C, самая высокая растворимость 0,02% феррита очень пластична, мягка и обрабатывается путем приложения давления в холодных условиях.

Аустенит (а) представляет собой твердый раствор углерода и других элементов G-iron. It присутствует только при высоких температурах. максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 1147% при температуре 2,14°С и 727 ° с при 0,8%.Эта температура является нижним пределом присутствия аустенита в железоуглеродистом сплаве. Аустенит очень пластичен, но тверже феррита.

Цементит и феррит в перлите

Перлитная структура состоит из перемежающихся пластин феррита и цементита. Ферритные пластины являются намного толще, чем цементитные пластины. Они занимают 90 % всего объема зерна, по сравнению с оставшимися 10 % цементита.

На границах перлитных зерен происходит резкое изменение ориентации пластин, как это видно на микроструктуре реального стального образца под электронным микроскопом при увеличении х11000 (рисунок 2).

Рисунок 2 – Вид перлита под электронным микроскопом. Исходное увеличение х11000

На этой фотографии цементитные пластины – это светлая фаза, а ферритные – темная. Цементитные пластины имеют толщину всего 0,1 мкм – слишком мало, чтобы их можно было увидеть в световой микроскоп. Несмотря на то, что цементит является хрупким, а перлит – не отличается хрупкостью. Это объясняется малым размером пластин цементита и большой объемной долей пластичного феррита.

Первичный, вторичный и третичный цементит

По способу и области образования он подразделяется на три основных вида:

первичный;
вторичный;
третичный.

Образование первичного цементита наблюдается в процессе кристаллизации заэвтектического чугуна. В этот момент образуются кристаллы вытянутой формы. Они образовывают первичный карбид. Первичное образование может проявляться в доэвтектическом чугуне в составе ледебурита в процессе кристаллизации расплава. Проведенные исследования показали, что такая смесь железа и углерода присутствует не только в белом чугуне. Она может проявиться в сером чугуне после завершения операции так называемой графитизации.

Процесс образования вторичного вида наблюдается в основном при охлаждении аустенита. Это явление наблюдается при снижении температуры ниже 1147 °С. При такой температуре происходит снижение концентрации углерода в аустените. Освободившиеся атомы углерода вступают в новые связи, и образуется цементит, который называется вторичным. При дальнейшем снижении температуры до эвтектоидной продолжается его формирование. Даже при комнатной температуре он встречается в составе перлита. В этих условиях его можно обнаружить в заэвтектоидной стали. Он образовывается на границах зернистой структуры.

Процесс охлаждения феррита формирует так называемый третичный цементит. Данный вид достаточно сложно зафиксировать, и проводит дальнейшее наблюдение за его образованием. Эта проблема связана с появлением третичного цементита в небольших количествах. Исследования образования данной фракции показали, что он приобретает несколько форм: пластинки, прожилки или в форме иголок. Все эти элементы формируются в зёрнах феррита. Третичное образование достаточно сложно получить, потому что при повышении процентного содержания углерода третичный цементит соединяется с перлитом. При повышении скорости охлаждения содержание углерода сохраняется в растворе металла и образование третичной фракции прекращается. Явным признаком образования является результат постепенного старения феррита. В этом случае в содержании феррита изменяется концентрация углерода.

Из приведенного выше описания можно сделать следующие выводы:

первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
третичный – после охлаждения феррита.

В различных марках стали и чугуна цементит первичный обладает высокой вариативностью формы. Это могут быть пластины правильной формы полоски или образования в форме иголок. При проведении операции отжига он может принимать форму округлых образований. Как результат трансформируется в зернистый перлит.

Перлит при комнатной температуре

Если теперь нашу сталь У8 с содержанием углерода 0,77 % охладить от 700 ºС до комнатной температуры, как показано на рисунке 1, то микроструктура значительно не изменится – не важно как медленно или как быстро ее охлаждать. Феррит будет оставаться почти чистым железом, а цементит – оставаться с содержанием углерода 6,7 % и с той же кристаллической структурой.

Согласно фазовой диаграмме, когда аустенит охлаждается ниже температуры А1 и выдерживается при ней короткое время, аустенит будет полностью заменятся смесью фаз феррит+цементит в том или другом виде. Дальнейшее охлаждение этой двухфазной смеси до комнатной температуры не дает никаких изменений в итоговой микроструктуре феррит+цементит.

Химические свойства

Как химическое соединение цементит обладает своими физическими, химическими и механическими характеристиками. Он имеет серый кристаллический вид на изломе, относительно твёрдый с высокой термической устойчивостью. Основные химические свойства цементита выражаются в следующих показателях:

химическая формула Fe3C;
разложение структуры происходит при температуре более 1650°С;
подвержен воздействию различных кислот (особенно высоко концентрированных);
быстро вступает в реакцию с кислородом.

На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:

температура плавления равняется 1700 °С;
молекулярная масса составляет 179,55 а.е.м.;
плотность цементита равна 7,7 г/см3 при температуре равной 20 °С.

К основным механическим свойствам относятся:

твердость;
стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
сопротивление на излом;
пластичность.

Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной хрупкостью и низкой пластичностью.

Обладая перечисленными свойствами, цементит активно используется при производстве литых деталей различного назначения. Образование различного вида цементита и его соединений с другими формами приводит к изменению характеристик получаемой стали или чугуна, следовательно, к улучшению или снижению отдельных потребительских свойств.

Например, для получения белого чугуна и придания ему высокой прочности и пластичности стараются перевести цементит в графит. Это достигается при проведении операции отжига. При возрастании температуры он распадается на две составляющие: феррит и графит.

Иногда вместо феррита в чугуне образуется перлит. В этих случаях получается две формы чугуна. Первая называется ферритным, вторая – перлитным.

В зависимости от требуемых свойств в чугуне стараются сохранить требуемое количество цементита. Особенно это касается так называемого свободной фракции этого соединения. Для снижения его концентрации применяют различные способы химической и термической обработки. Для решения этой задачи применяют раствор азотной кислоты в чистом спирте. Структурно свободный цементит выпадает в осадок в результате кипячения чугунной болванки в этом растворе. Кроме этого применяют три вида обработки: отжиг, нормализацию и закалку.

Техническое железо содержит третичный цементит в сочетании с ферритом. Он проявляется по границе феррита при содержании углерода от 0,01% до 0,025%. Для повышения качества стали стараются снизить содержание свободного цементита. Особенно его концентрация наблюдается в мягких марках стали. Большое влияние на качество штамповки оказывает содержание этой смеси и перлита в единице объёма. Излишнее присутствие третичного цементита, особенно в форме продолжительной цепочки или сетки приводит к образованию разрывов во время штамповки. Поэтому для получения хорошей ковочной стали стараются снизить количество третичного цементита. Структура таких образований не должна превышать второго балла по установленной шкале. Получаемая твёрдость не должна превышать HB 50 единиц.

Материалы для производства силикатных бетонов

Основным вяжущим компонентом в силикатном бетоне выступает тонкомолотая известь кипелка или известь-пушонка, которая в сочетании с заполнителями и составляет основное сырье для производства силикатных бетонов. После добавления воды и последующей тепловой обработки в автоклавах, силикатобетонная смесь превращаться в прочное бетонное изделие.

Известь, применяемая для производства силикатных смесей должна отвечать следующим свойствам:

средняя скорость гидратации;
умеренный экзотермический эффект;
вся фракция должна быть одинаково обожженной;
MgO менее 5%;
время гашения извести — 20 мин не более.

Недожог известковой массы приводит к повышенному расходу материала. Пережог снижает время гидратации извести, что приводит к вспучиванию, появлению трещин на поверхности изделий и др.

Известь

Известь, применяемая для производства силикатобетона, обычно используется в виде тонкомолотых известковых смесей следующего состава:

известково-кремнеземистые — соединение извести и кварцевого песка;
известково-шлаковые (известь и доменный шлак);
известково-зольные — топливная сланцевая или угольная зола и известь;
известково-керамзитовые и другие подобные компоненты, получаемые из отходов промышленного производства пористых заполнителей;
известково-белитовые вяжущие, получаемые при низкотемпературном обжиге известково-кремнеземистой сухой смеси и кварцевого песка.

В качестве кремнеземистых заполнителей используют следующие материалы:

кварцевый молотый песок;
металлургические (доменные) шлаки;
зола ТЭЦ.

Наиболее часто в качестве заполнителей выступают кварцевые пески средней и мелкой фракции, которые по своему составу должны выглядеть следующим образом:

80% и более кремнезема;
менее 10% глинистых включений;
0,5% и меньше примесей слюды.

Крупные включения глины в структуре кварцевого песка снижают морозостойкость и прочность силикатного бетона.

Кварцевый песок

Тонкомолотый кварцевый песок оказывает значительное влияние на формирование высоких эксплуатационных свойств силикатных бетонов. Так, с повышением дисперсности частиц песка увеличивается морозостойкость, прочность и другие характеристики силикатных материалов.

При выборе составляющих для изготовления силикатного бетона необходимо знать следующее:

Расход вяжущего увеличивается пропорционально увеличению прочности бетона.
Снижение расхода вяжущих в составе силикатной смеси наблюдается при повышении дисперсности мелкого кварцевого песка, и увеличивается при повышении формовочной влажности силикатобетонного раствора.
Дисперсность молотого кварцевого песка должна быть в 2,5 раза ниже дисперсности молотой извести.

Общие сведения о сплаве

Отличительным свойством стали является наличие в структуре специальных легированных примесей и углерода. Собственно, по содержанию углерода и определяют доэвтектоидный сплав

Здесь важно различать и классическую эвтектоидную, а также ледебуритную стали, которые имеют много общего с описываемой разновидностью технического железа. Если рассматривать структурный класс стали, то доэвтектоидный сплав будет относиться к эвтектоидам, но содержащим в составе легированные ферриты и перлиты. Принципиальным отличием от заэвтектоиднов является уровень углерода, находящийся ниже 0,8%

Превышение этого показателя позволяет относить сталь к полноценным эвтектоидам. В некотором роде противоположностью доэвтектоида является заэвтектоидная сталь, в которой помимо перлита также содержатся вторичные примеси карбидов. Таким образом, существует два основных фактора, позволяющих выделять доэвтектоидные сплавы из общей группы эвтектоидов. Во-первых, это относительно небольшое содержание углерода, а во-вторых, это особый набор примесей, основу которых составляет феррит

Принципиальным отличием от заэвтектоиднов является уровень углерода, находящийся ниже 0,8%. Превышение этого показателя позволяет относить сталь к полноценным эвтектоидам. В некотором роде противоположностью доэвтектоида является заэвтектоидная сталь, в которой помимо перлита также содержатся вторичные примеси карбидов. Таким образом, существует два основных фактора, позволяющих выделять доэвтектоидные сплавы из общей группы эвтектоидов. Во-первых, это относительно небольшое содержание углерода, а во-вторых, это особый набор примесей, основу которых составляет феррит.