Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей

Цель: изучить превращения в сплавах системы железо-цементит и структуры сталей различного состава в равновесном состоянии. Определить содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.
Микроструктуру сталей изучают в равновесном состоянии, т. е. в таком состоянии, когда процессы фазовых превращений полностью произошли, что достигается только при очень медленном охлаждении. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии определяют по диаграмме состояния железо-цементит. Особенность диаграммы - наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита (рис. 1.).
Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % - чугунами.
Структура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода. После полного отжига в углеродистой стали присутствуют следующие фазы и структурные составляющие: феррит, цементит, перлит.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита при его охлаждении ниже температур линии GPSK (см. рис. 1).
Под микроскопом феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (рис. 2). Последнее объясняется неодинаковой травимостью вследствие анизотропии свойств феррита. Растворимость углерода в феррите изменяется с изменением температуры, что отражается на диаграмме состояния (рис. 1) - линия GPQ. Максимальное содержание углерода в феррите при комнатной температуре достигает 0,006 %.
Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение δ=50 % и твердость зависит от концентрации углерода и других растворенных примесей и изменяется в пределах НВ 450÷800.
Феррит обладает ферромагнитными свойствами, в парамагнитное состояние переходит при температуре 768°С.
Цементит (Ц) - химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fe₃C. Кристаллическая решетка цементита сложная ромбическая. Цементит обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводностью, малыми магнитными свойствами до температуры 210°С. Температура плавления при атмосферном давлении у цементита не установлена, так как он является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах распадается на железо и углерод. В зависимости от условий охлаждения аустенита цементит может иметь зернистую или пластинчатую форму, Цементитная сетка из пластинок, охватывающих зерна перлита в структуре заэвтектоидной стали, снижает ее пластичность и прочность, а увеличивает твердость. Цементит - самая твердая составляющая, НВ 8000. Его пластичность практически равна нулю. Поэтому с возрастанием количества цементита в стали при увеличении концентрации в ней углерода твердость стали возрастает, а пластичность падает.

Рис. 1 – Диаграмма состояния сплавов системы железо–углерод

Перлит (П) - эвтектоидная смесь из кристаллов цементита м феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8 % (точка S, рис. 1). При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной массы перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под микроскопом просматривается в виде темных и светлых полосок.
В зависимости от формы цементита различают:
а) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите (рис. 3. а);
б) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин; последние образуют смесь чередующихся пласгпш цементита (рис. 3, б) и феррита.
Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастают.

Рис.2 - Схема зарисовки структуры феррита (техническое железо)

Рис.3 - Схема зарисовки структуры перлита а -зернистый перлит; б - пластинчатый перлит (эвтектоидная сталь)

Обыкновенный пластинчатый перлит имеет предел прочности σ_b=820 МПа и относительное удлинение δ₅=15 %, а крупнопластинчатый σ_b=550 МПа и δ₅=5%. Зернистый перлит имеет σ_b=630 МПа и δ₅=20 %.
Твердость пластинчатого перлита НВ 2000÷2500, а зернистого - НВ 1600÷2200.
На микрошлифе в обычном оптическом микроскопе при малом увеличении (до 200 крат) перлит наблюдается в виде темных зерен, в которых не видно ни пластин, ни зерен цементита, так как размер цементитных частиц очень мал.

Структура стали в равновесном состояния зависит от содержания в ней углерода.
Техническое железо содержит не более 0,02 % углерода и может быть двухфазным или однофазным сплавом.
Технически чистое железо называют армко-железом. Его получают в больших количествах промышленным способом с суммарным содержанием примесей около 0,15 %.
Сплавы с содержанием углерода до 0,006 % состоят из феррита, а в интервале концентраций 0,006-0,02 % - из феррита и цементита третичного, который выделяется по границам ферритных зерен вследствие изменения растворимости углерода в феррите при понижении температуры (см. рис. 1).
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % углерода. Стали состоят из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рис. 3, а). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода. По соотношению площадей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с определенной степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно определить содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения, и умножить на содержание углерода в перлите (0,8 % - см. рис. 1).
Пример: площадь, занятая перлитом f_Ц= 0,6 (относительно 1). Тогда содержание углерода в данном образце будет: 0,8×0,6 = 0,48 %.
Зная процентное содержание углерода, можно определить марку стали.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода, в ее структуру входит только перлит (см. рис. 4)

Рис.4 - Схемы зарисовки структуры стали а -доэвтектоидной; б - заэвтектоидной

Заэвтектоидные стали содержат углерода более 0,8 %. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита (рис. 4, б).
Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации углерода. Если известно относительное содержание вторичного цементита на микрошлифе, можно определить содержание углерода в данном образце. Для этого к углероду, содержащемуся в перлите, нужно добавить углерод, содержащийся во вторичном цементите. Например, площадь, занятая вторичным цементитом f_ЦII= 0,04 (относительно 1), тогда площадь занятая перлитом f_П= 0,96 относительной площади микрошлифа.Содержание углерода определяют следующим образом.

0,04×6,67 + 0,96×0,8 % =1,1 %

Химический состав и маркировка сталей приведены в табл. 1.2, 1.3, 1.4.
Влияние углерода на свойства стали в основном определяются свойствами цементита и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. При увеличении углерода до 1,2 % (рис. 5) возрастают прочность σ, твердость НВ, предел текучести &sigma_T„ при этом снижаются вязкость KCV и характеристики пластичности - относительное удлинение (δ, %) и относительное сужение (ψ, %).
Технологические свойства,такие как деформируемость, свариваемость и др., зависят также от содержания углерода. Хорошей свариваемостью и пластичностью отличаются низкоуглеродистые стали (до 0,3% С). Хорошими режущими свойствами обладают высокоуглеродистые стали.

Рис.5 - Зависимость механических свойств стали от ее химического состава и примерные марки сталей
Табл 1.2- Сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Примечания: 1. Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава стали, буквы "кп", ипс", "сп" -способ раскисления стали ("кп" — кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная сталь).
2. Способ раскисления, если он не указан в заказе, устанавливает изготовитель.
3. Массовая доля серы в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,05 %, фосфора не более 0,04 %, в стали марки Ст0 серы - не более 0,06 %. фосфора - не более 0,07 %.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! На нашем сайте Вы можете заказать любые задания по всем разделам материаловедения. Решение предоставляется в печатном виде с детальными комментариями