Теоретическая часть. 1.1 Микроструктура технического железа

Структура углеродистых сталей

Сталями называется сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 % до 2,14 % углерода. При содержании углерода до 0,006 % сплавы однофазные и имеют структуру феррита, например, электролитическое железо.

Сплавы, содержащие от 0,006 % до 0,02 % углерода называются техническим железом (рисунок 4.7).

Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы — цементита третичного. При содержании углерода до 0,025 % структурно свободный цементит выделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существенно понижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит распола-

гается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.

При увеличении содержания углерода выше 0,025 % в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10 — 0,15 % С в стали появляются включения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшим повышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.

За превращениями, протекающими в сталях в процессе их нагрева и охлаждения, можно проследить, пользуясь левой частью диаграммы состояния (рисунок 4.6).

По микроструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные (рисунки 4.8, 4.9, 4.10). Стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 % называют доэвтектоидными; с содержанием 0,8 % углерода – эвтектоидными; с содержанием от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидными.

Как следует из диаграммы Fe-Fe3C, при комнатной температуре в равновесном состоянии микроструктура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита (рисунок 4.8). Количественное соотношение между структурными составляющими (Ф и П) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита.

Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 % С) состоит только из перлита (рисунок 4.9). Образуется из аустенита при охлаждении стали У8 (линия PSK). Строение перлита вследствие его значительной дисперсности (мелкозернистости) может быть детально различимо только при сравнительно больших увеличениях (×600).

Микроструктура заэвтектоидной стали (рисунок 4.10) состоит из перлита и вторичного цементита. Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит – на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14 %.

также светлую окраску, необходимо шлиф, протравленный 4 %-ным раство-

ром азотной кислоты, заново перешлифовать, переполировать и заново про-

травить раствором пикрата натрия, который окрашивает цементит в темный

цвет.

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую перлитом, в связи с тем, что в феррите растворено очень небольшое количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите.

С =100⋅ 0,8 П S ,

где С – концентрация углерода в сплаве, в процентах;

П S — видимая часть площади микроструктуры, занимаемая перлитом

в процентах.

По количественному соотношению перлита и феррита, согласно ГОСТ 8233-56 Сталь. Эталоны микроструктуры, ферритно-перлитные структуры классифицируются по десятибальной шкале (таблица 4.1). Оценка производится визуально при 100-кратном увеличении по средней площади, занимаемой перлитом на микрошлифе.

Зависимость механических свойств углеродистых сталей от

Содержания углерода

Изменение содержания углерода вызывает изменения в структуре стали, что, в свою очередь, оказывает определяющее влияние на свойства стали.

В соответствии с диаграммой состояния структура стали в равновесном состоянии представляет собой смесь феррита и цементита, причем количество цементита увеличивается пропорционально содержанию углерода. Феррит малопрочен и пластичен, цементит твёрд и хрупок. Поэтому увеличение цементита приводит к повышению твердости, прочности и снижению пластичности.

оказывает вторичный цементит, образующий хрупкий каркас вокруг зерен

перлита. Под нагрузкой этот каркас преждевременно разрушается, вызывая

снижение прочности, пластичности. Из-за этого заэвтектоидные стали при-

меняют после специального отжига со структурой зернистого перлита, отли-

чающегося от пластинчатого перлита меньшей твердостью и большей пла-

стичностью.

Углерод изменяет технологические свойства стали: обрабатываемость резанием, давлением, свариваемость. Увеличение содержания углерода ведет к снижению обрабатываемости резанием. Лучшей обрабатываемостью резанием обладают стали с содержанием 0,3 — 0,4 % С.

С увеличением содержания углерода снижается технологическая пластичность – способность деформироваться в горячем и, особенно, в холодном состоянии. Для сложной холодной штамповки содержание углерода ограничивается 0,1 %.

Углерод затрудняет свариваемость сталей. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали. Для иллюстрации на рисунке 4.11 приведен график зависимости механических свойств стали от содержания углерода.

Классификация и маркировка углеродистых сталей

Углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистые до 0,25 % C, среднеуглеродистые (0,3 — 0,6 % C), высокоуглеродистые (более 0,6 % С). По применению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали классифицируют на стали обык-

новенного качества и качественные.

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6, обозначающая но-

мер марки стали (с увеличением номера возрастает содержание углерода),

например: Ст1, Ст2, …, Ст6. Чем больше номер, тем выше прочность и твер-

дость, но ниже пластичность (таблица 4.2). Наиболее пластичные и наименее

твердые — Ст0, Ст1, Ст2 — идут на изготовление кровельных листов, крепеж-

ных изделий; наиболее твердая и прочная сталь этой группы — Ст6 применя-

ется, например, в производстве рельсов, рессор. Стали обыкновенного каче-

ства выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, швеллеры и

т.п.).

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества содержанием вредных примесей и неме-

таллических включений.

Качественную сталь маркируют двузначным числом, обозначающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистую сталь марок 08, 10, 15, 20, 25 применяют для изготовления метизов и деталей, от которых не требуется высокой прочности. Среднеуглеродистые стали 30, 35, …, 55 отличаются большей прочностью, меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Высокоуглеродистые стали марок 60, 65, …, 85 имеют большую твердость и прочность и применяются для изготовления ответст-

венных деталей машин.

Качественные инструментальные стали маркируют буквой У и цифрой, указывающей на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 и т.д. Высококачественные инструментальные стали маркируют так же, как и

качественные, но в конце марки ставят букву А: У7А, У8А — У12А.

Порядок выполнения работы

4.8.1 Изучите по диаграмме состояния Fe – Fe3C превращения, проис-

ходящие в железоуглеродистых сплавах при охлаждении.

4.8.2 Ознакомьтесь со структурными составляющими железоуглероди-

стых сплавов. Найдите на диаграмме состояния области существования этих

структур.

4.8.3 Получите у лаборанта микрошлифы образцов различных сталей. С помощью металлографического микроскопа изучите структурные

составляющие железоуглеродистых сплавов. Определите вид сплава: сталь

(доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная).

4.8.4 Зарисуйте все просмотренные структуры с указанием фазовых и

структурных составляющих. Микроструктуры зарисовать в квадратах разме-

ром 50 × 50 мм. Основное при зарисовке микроструктуры – уловить харак-

терные особенности микроструктуры и передать их на рисунке. Нет надобно-

сти передавать на рисунке фотографически точное изображение. Фазы и

структурные составляющие указывать стрелками, на полях писать их наиме-

нование.

Содержание отчета

4.9.1 Цель работы.

4.9.2 Краткое описание структурных составляющих железоуглероди-

стых сплавов.

4.9.3 Рисунок диаграммы состояния Fe – Fe3C.

4.9.4 Схемы и описание микроструктуры сталей и чугунов.

4.9.5 Выводы по работе. В выводах указывается влияние содержания

углерода на структуру и механические свойства; влияние формы графитовых

включений и структуры металлической основы на свойства чугунов.

4.10 Контрольные вопросы

4.10.1 Какие железоуглеродистые сплавы относятся к техническому

железу, сталям и чугунам?

4.10.2 Каковы фазовые и структурные составляющие системы Fe-C?

Характеристика структурных составляющих.

4.10.3 Какая из структур железоуглеродистых сплавов является меха-

нической смесью феррита и цементита?

4.10.4 Что такое ледебурит?

4.10.5 Как классифицируют по структуре стали и чугуны?

Приложение А

(справочное)

Приобретение навыков работы с диаграммой состояния железо-углерод

Исходные данные:

Сплав содержит 0,7 % углерода. Заданная температура 600 °С.

Лабораторная работа № 5

Упражнения по диаграмме железо-углерод *)

Цель работы

Приобретение навыков работы с диаграммами состояния на примере

диаграммы железо-углерод.

Общие сведения

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение состояния сплавов. Свойства сплавов определяются, прежде всего, составом фаз и их количественным соотношением. Сведения о составе и соотношении фазовых составляющих можно получить, анализируя диаграмму состояния. Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину кри-

сталлизации любого сплава, формирования его структуры. Диаграмма со-

стояния позволяет оценить свойства сплавов, найти оптимальные параметры

таких технологических процессов как литье, термическая и химико-

термическая обработка, сделать заключение о возможности обработки давле-

нием и т.д.

Порядок выполнения работы

5.3.1 Получите у преподавателя задание на выполнение работы (на пер-

вом этапе — концентрацию углерода в сплаве, на втором – температуру спла-

ва).

5.3.2 Опишите процесс кристаллизации сплава заданного состава (этап

первый). В процессе работы заполните таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Фазовый и структурный состав сплава в температурных

интервалах

⇐ Предыдущая7Следующая ⇒

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? — задался я вопросом…

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот…

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор…

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала…

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Структура и свойства железоуглеродистых сплавов

Техническое железо

. Структура технического железа с концентрацией углерода 0,012 % (рис. 4.4) состоит из светлых полиэдрических зёрен феррита и цементита третичного, который расположен в виде светлых включений по границам зёрен феррита.

Феррит является пластичной и мягкой составляющей (800 НВ, δ

= 40%). Цементит – твёрдый и хрупкий (8000 НВ,
δ
= 0%). Наличие на границах зёрен прожилок цементита третичного понижает пластичность и вязкость сплава.

Рис. 4.4. Технические (двухфазное) железо

Стали

. В процессе охлаждения из аустенита доэвтектоидных сталей выделяется феррит (рис. 4.5а). Температура, при которой начинает выделяться феррит, определяется линией GS (см. рис. 4.1).

Выделение феррита приводит к обогащению аустенита углеродом. При 727 °С концентрация углерода в аустените достигает 0,8%, и в этих условиях имеет место эвтектоидная реакция

А0,8% → П0,8%(Ф+ Ц).

Таким образом, структура доэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из феррита, выделившегося в интервале температур Аr3–Аr1 (линии GS и РS), и перлита, образовавшегося при 727 °С.

В структуре доэвтектоидной стали цементита много больше, чем в техническом железе, и это повышает твёрдость стали (рис. 4.2).

Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Перлит чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита (рис. 4.5б). Увеличение содержания углерода повышает твердость, прочность, но снижает пластичность сплава.

Рис. 4.5. Структуры сталей: а – доэвтектоидная сталь, б – эвтектоидная сталь, в – заэвтектоидная сталь

Структура заэвтектоидной стали также формируется из аустенита. В интервале температур Аrст – Аr1

(линии SE и SK) из аустенита выделяется цементит вторичный, который, как правило, располагается по границам зёрен. При 727 °С концентрация углерода в аустените будет соответствовать 0,8%, он рас­падается с образованием перлита.

Таким образом, структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре – перлит и цементит вторичный (рис. 4.5в). Доля цементитной составляющей возросла в сравнении с предыдущими сплавами. Теперь цементит не только входит в перлит (эвтектоид), но и твёрдость стали возрастает до 3000 НВ.

Чугуны.

Белый эвтектический чугун кристаллизуется при 1147 °С (см. рис. 4.1, линия ЕСF) с образованием ледебурита:

Ж4,3% С → Л(А2,14% С + Ц6,67% C).

Охлаждение до 727 °С приводит к уменьшению концентрации углерода в аустените до 0,8 %. При 727 °С аустенит превращается в перлит.

Таким образом, эвтектический чугун (рис. 4.6б) при комнатной температуре имеет структуру ледебурита, состоящего из перлита и цементита. Основной фазой в белом чугуне является цементит, поэтому белый чугун твёрдый (6500 НВ).

Структура доэвтектических чугунов (рис. 4.6а) состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, а заэвтектических чугунов (рис. 4.6в) – из ледебурита и цементита, выделившегося из жидкой фазы.

Рис. 4.6. Структуры белых чугунов: а – доэвтектический чугун, б – эвтектический чугун, в – заэвтектический чугун

Зависимость свойств серых чугунов от структуры значительно сложнее, чем у стали, так как серые чугуны состоят из металлической основы и графитовых включений. Поэтому для характеристики структуры серого чугуна необходимо определи размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Серый перлито-ферритный чугун

Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и сильнее изолированы друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе.

Рис. 4.8. Высокопрочный перлито-ферритный чугун

Металлическая основа серого чугуна СЧ 15 с содержанием углерода 3,1–3,6% (рис. 4.7) состоит из феррита (белая составляющая) и перлита (тёмная составляющая). Грубо- или среднепластинчатые графитовые включения в виде тёмных полос разрезают металлическую основу. Поэтому такой серый чугун имеет низкую прочность при работе на растяжение и практически нулевую пластичность: σВ

= 150 МПа,
δ
= 0,5%. Твердость определяется строением металлической основы и соответствует 1630–2290 НВ.

Рис. 4.9. Ковкий ферритный чугун

Высокопрочный чугун в отличие от серого имеет включения графита шаровидной формы, а не пластинчатой. Такой чугун имеет более высокие механические свойств. Структура ВЧ 45 (рис. 4.8)с содержанием углерода 3,3–3,5% состоит из феррита (светлая составляющая), перлита (тёмная сос­тавляющая) и графита шаровидной формы (тёмные округлые включения) (рис. 4.8). Прочность при растяжении σВ

= 450 МПа, относительное удлинение
δ
= 5%. Твёр­дость определяется металлической основой и соответствует 1700–2070 НВ.

Ковкий чугун имеет графит хлопьевидной формы. Это обеспечивает хорошие механические свойства. Структура КЧ 35–10 с содержанием 2,4–2,8% С состоит из светлых зёрен феррита и хлопьевидного графита (рис. 4.9).

Ферритная металлическая основа обеспечивает невысокую твёрдость (1490–1630 НВ). Прочность чугуна σВ

= 350 МПа, относительное удлинение
δ
= 10%.

Порядок выполнения работы

1. Вычертить диаграмму «Fe − Fe3C

» с указанием температур превращений и концентраций углерода для характерных точек.

2. Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаг-раммы.

3. Подготовить к работе металлографический микроскоп. Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов производить при необходимых увеличениях металлографического микроскопа.

4. Просмотреть предложенные шлифы, выбрать наиболее характерные участки и зарисовать в отчете. Определить тип сплава, примерное или точное содержание углерода, основные механические свойства.

3. Контрольные вопросы

1. Определение феррита, аустенита, цементита, графита.

2. Определение перлита, ледебурита.

3.Что такое техническое железо, сталь, чугун?

4. Каково отличие в структуре белого чугуна от серого, высокопрочного, ковкого?

5. Как получают чугун серый, ковкий, высокопрочный?

6. Как и почему меняется твёрдость сплавов по мере увеличения концентрации углерода?

7. По микрофотографии, предложенной преподавателем, определите тип сплава (техническое железо, сталь, чугун), структурный и фазовый состав, пределы содержания углерода.

8. По диаграмме «Железо − цементит» опишите процессы, протекающие в сталях и белых чугунах при кристаллизации.