Аннотация.

Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей в

Равновесном состоянии.

Методическое указание к лабораторным работам по курсу

«Материаловедение»

Под редакцией проф.Лебедева В.В.

Калуга 2001 г.

Аннотация.

Методическое указание содержит:

Теоретические основы формирования структуры сталей с различным содержанием углерода, сведения о свойствах отдельных фаз и структурных составляющих. Приводится план выполнения работы и рекомендации по выполнению отчёта.

Задание и порядок выполнения работы:

1. Изучить структуру стали в соответствии с диаграммой Fe - Fe_зС.

2. Исследовать под микроскопом и зарисовать структуру сталей с разным содержанием углерода. Под рисунками указать марку стали, структурные составляющие и примерное количественное соотношение в процентах.

3. Для одного из образцов, по определённому проценту перлита, подсчитать содержание углерода (смотрите методическое пособие стр.5), сравнить с ГОСТ, сделать заключение о правильности подсчёта.

4. Записать в виде таблицы химический состав, механические свойства и примерное назначение исследуемых марок сталей (см.табл.6 и табл. 7).

5. Установить зависимость между структурой и механическими свойствами исследованных сталей, проанализировав данные таблицы кратко описать:

а) как изменяется структура с увеличением содержания углерода.

б) как и почему изменяются механические свойства.

Фазы и структуры железоуглеродистых сплавов, содержащих не более 2, 14 % С.

При сплавлении железа и углерода могут образоваться различные фазы и структуры. Так как железо имеет две аллотропические модификации - а и у, то образуются два типа твёрдых растворов: феррит и аустенит.

Феррит - это твёрдый раствор внедрения углерода в а железе. Он имеет решётку ОЦК, растворимость углерода в которой весьма мала и не превышает 0, 02 %. Феррит -мягкая и пластичная, но малопрочная фаза.

Аустенит - твёрдый раствор внедрения углерода в у железе, имеющей решётку ГЦК. Растворимость углерода в у железе достигает 2, 14 %. Аустенит пластичен, более прочен и твёрд, чем феррит.

Цементит - это химическое соединение железа и углерода - Fе_зС (карбид железа), имеет сложную кристаллическую решётку и постоянное содержание углерода, равное 6, 67 %. Цементит является одной из самых твёрдых и хрупких фаз.

Перлит - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита. Эта смесь содержит 0, 8 % С, может иметь пластинчатое и зернистое строение и является достаточно прочной структурной составляющей.

Некоторые механические свойства структурных составляющих приведены в таблице 1.

Диаграмма состояния железо - цементит и структура сплавов.

Пользуясь диаграммой состояния железо - цементит (рис. 1) можно определить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении и какую структуру они будут иметь при комнатной температуре в равновесном состоянии.

Сплавы, содержащие не более 0, 02 % С, называют техническим железом; если содержание углерода составляет более 0, 02 % (но не превышает величины 2, 14 %),

Рис.1 Диаграмма состояния железо-цементит.

Рис.2 Микроструктура доэвтектоидной Стали (феррит и перлит), х 100.

Рис.3 Микроструктура заэвтектоидной стали (перлит и сетка цементита), х 100.

то такие сплавы называют сталями. Стали, в свою очередь, подразделяют на доэвтектоидные (менее 0, 8 % С), эвтектоидные (около 0, 8 % С) и заэвтектоидные (более 0, 8 % С).

Таблица 1

Механические свойства структурных составляющих.

Первичная кристаллизация сплавов и высокотемпературное аллотропическое превращение α → β в некоторых из них приводят к тому, что ниже линии NJE все сплавы имеют структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении в сплавах происходит перекристаллизация, вызванная превращением аустенита в феррит, или выделение из аустенита кристаллов цементита, вызванное снижением растворимости углерода в у -железе при понижении температуры.

Техническое железо после перекристаллизации получает однофазную структуру феррита. Такая структура зернистого (полиэдрического) строения в сплавах, содержащих не более 0, 006 % С, может сохраняться до комнатной температуры. В техническом железе, содержащем более 0, 006 % С, при охлаждении из феррита выделяется небольшое количество цементита (третичного). Это выделение вызвано снижением растворимости углерода в а- железе. Третичный цементит располагается преимущественно по границам зёрен феррита, понижая технологическую пластичность сплава и его магнитные свойства.

Все стали при температуре 727 ° С (линия PSK) претерпевают эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на феррито-цементитную смесь - перлит (As-> П (Fe_зС + Ф]). В доэвтектоидных сталях этому превращению предшествует аллотропическое превращение аустенита в феррит. Только после этого оставшийся аустенит превращается в перлит. Окончательная структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита (рис.2). По мере увеличения содержания углерода в доэвтектоидных сталях количество перлита в их структурах возрастает, а количество феррита снижается. При содержании углерода 0, 8% (эвтектоидная сталь) структура состоит из одного перлита.

Перлит может иметь пластинчатое или зернистое строение. Строение перлита можно отчётливо различить только при увеличении более, чем 500 раз. При меньших увеличениях перлит имеет вид темных зёрен неоднородного строения. В заэвтектодной стали образованию перлита предшествует выделение из аустенита кристаллов вторичного цементита. Это вызвано уменьшением растворимости углерода в аустените в соответствии с линией ES диаграммы. За счёт выделения вторичного цементита концентрация углерода в аустените снижается до 0, 8 %, обеспечивая возможность протекания эвтектоидного превращения. Таким образом, окончательная структура стали ниже линии PSK будет состоять из перлита и цементита. Вторичный цементит присутствует в ней в виде мелких зёрен или в виде светлой сетки по границе зёрен перлита (рис 3). Количество вторичного

цементита в структуре заэвтектоидных сталей возрастает с увеличением содержания углерода.

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно примерно определить содержание углерода. Для этого ориентировочно определяют площадь, занимаемую кристаллами перлита (в процентах). Допуская, что чистый перлит содержит 0, 8 % С, а феррит практически не содержит его, составляют и решают пропорцию:

0, 8% С-100% перлита X % С - Fп % перлита,

где Fп - площадь, занимаемая перлитом в структуре в процентах. Откуда содержание углерода в стали определяется по формуле:

Определение содержания углерода по микроструктуре в заэвтектоидной стали представляет трудности, ввиду того, что часть углерода находится в виде цементита, а для определения его количества в структуре необходимо пользоваться специальными методами.

Свойства и применение сплавов.

От структуры сплавов зависят их свойства, а следовательно, и область применения. Техническое железо имеет хорошие технологические свойства (легко куётся, штампуется, сваривается), но прочность его невелика. Оно используется в основном как магнитный материал в приборостроении.

Доэвтектоидные стали в большинстве своём являются конструкционными материалами, применяемыми для изготовления различных конструкции, а также деталей машин и приборов.

Они выпускаются обыкновенного качества и качественными. Увеличение содержания углерода в них сопровождается повышением твёрдости и прочности, снижением пластичности. Это связано с увеличением количества перлита и уменьшением количества феррита в структуре.

Стали, близкие по составу к эвтектоидным, и заэвтектоидные используются в основном как инструментальные. Они выпускаются качественными и высококачественными. С повышением содержания углерода увеличиваются их твёрдость и износостойкость. Это изменение свойств связано с появлением в структуре избыточного цементита и увеличением его количества.

В таблицах 2, 3, 4, 5, 6 приведены справочные данные на техническое железо и углеродистые стали с указанием их химического состава, механических свойств и примерного назначения.