653

669 М597

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Материаловедение», «Транспортное материаловедение»

НОВОСИБИРСК 2010

1. МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии, установить связь между структурой стали и диаграммой состояния системы «железо-цементит», научиться определять содержание углерода в сталях.

Лабораторное оборудование.

1.Металлографический микроскоп.

2.Коллекция микрошлифов технического железа и углеродистых сталей.

3.Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

4.Диаграмма состояния системы «железо-цементит».

5.Таблица с баллами зерен.

1.1.Влияние содержания углерода на структуру стали

Сплавы железа и углерода, содержащие до 2,14 %, называются сталями.

Равновесное состояние в сплаве достигается только при очень медленном охлаждении(отжиг).Равновесные структуры сталей и фазовые превращения в них описываются диаграммой состояния системы «железо-цементит».

Стальные сплавы по содержанию углерода и структуре в равновесном состоянии подразделяются на доэвтектоидные, содержащие углерода до 0,8 %, эвтектоидные — 0,8 % и заэвтектоидные — от 0,8 до 2,14 %.

Доэвтектоидные стали, содержащие углерода до 0,025 %, называются техническим железом. Их структура состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита. На рис. 1.1 показана микроструктура доэвтектоидной стали, содер-

3

жащей 0,015 % углерода: темные линии — границы зерен феррита,светлое поле—зернаферрита, включения по границам зерен — цементит III.

Рис. 1.1. Техническое железо (0,015 % С), 300

Феррит представляет собоймягкуюпластичную структурную составляющую. Цементит характеризуется высокой твердостью и хрупкостью.

Доэвтектоидные стали, содержащие 0,025–0,8 % углерода, имеют структуру, состоящую из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Доэвтектоидная сталь, 300

4

Количество феррита и перлита зависит от содержания в стали углерода. С ростом содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита — увеличивается.

Углерод в доэвтектоидной сталираспределен между избыточным ферритом и перлитом. В феррите содержатся сотые доли процента углерода, которым можно пренебречь и считать, что практически весь углерод в доэвтектоидной стали находится в перлите.Вчистомперлитесодержится0,8%С.Вдоэвтектоидной стали на перлит приходится только часть сплава и содержание углерода в весовых процентах пропорционально площади шлифа,занимаемойперлитом.Этапропорциявытекаетизпримерного равенства удельных весов феррита и перлита; в противном случае по микроструктуре можно было бы судить только об объемных соотношениях.

Содержание углерода в доэвтектоидной стали определяется по формуле

С 0,8Fп ,

100

где Fп — площадь шлифа, занятая перлитом, %.

Площадь шлифа чаще всего оценивается на глаз. Такой метод с первого взгляда может показаться слишком грубым, в действительности же он дает хорошие результаты. Если абсолютная ошибка в оценке площади, занимаемой перлитом, составляет 10 %, то абсолютная ошибкавопределении содержанияуглерода составляет всего 0,08 %.

Пример. Площадь поверхности шлифа, занятая перлитом составляет 50 %. Из пропорции

100 % П — 0,8 % С

50 % П — х % С

можно вычислить содержание углерода в стали:

х 0,8 50 0,4 %. 100

По ГОСТ 1050-88 сталь, содержащая 0,4 % С, является качественной конструкционной марки 40.

Эвтектоидная сталь (0,8 % С) имеет структуру, состоящую только из перлита. Перлит является двухфазной структурной составляющей, которая представляет собой смесь феррита и

5

цементита зернистого либо пластинчатого строения. На рис. 1.3 представлена микроструктура зернистого перлита, где на светлом поле феррита равномерно распределены мелкие, округлой формы частицы цементита. На рис. 1.3, б приведена эвтектоидная смесь частиц феррита и цементита в виде удлиненных пластинчатых кристаллов. Такая структурная составляющая называется пластинчатым перлитом.

Рис. 1.3. Эвтектоидная сталь (0,8 % С), 300: а — зернистый перлит; б — пластинчатый перлит

Зернистый перлит имеет меньшую твердость (120–220 НВ), чем пластинчатый (200–250 НВ), и лучше обрабатывается резанием.

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % до 2,14 % углерода и имеет структуру,состоящую изперлитаивторичного цементита.

Вторичный цементит выделяется из аустенита при медленном охлаждении сплава от температуры Асm (линия SE) до температуры А1 (линия PSK) на диаграмме Fe–Fe3C (рис. 1.4) в виде сетки по границам зерен. При достижении температуры А1 аустенит превращается в перлит. В результате медленного охлаждения микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и сетки вторичного цементита (рис. 1.5): белая сетка — вторичный цементит, внутри сетки зерна пластинчатого строения — перлит.

Чем больше в заэвтектоидной стали углерода, тем более плотной (толстой) получается сетка цементита.

6

Рис. 1.5. Заэвтектоидная сталь (1,2 % С), 300

Для определения содержания углерода в заэвтектоидной сталипоее структуренеобходимоустановитьплощадьповерхностишлифа,занятуюперлитомицементитомвторичным.Затемиз соответствующих пропорций следует найти содержание углерода, находящегося в перлите и цементите. Сумма полученных результатов представляет собой содержание углерода в заэвтектоидной стали.

Пример. Площадь шлифа, занимаемая перлитом, составляет 95 %, вторичным цементитом — 5 %. Из пропорций вычисляем:

100 % П — 0,8 % С

95 % П — х % С

содержание углерода в перлите

х 95 0,8 0,76 %; 100

100 % Ц — 6,67 % С

5 % Ц — х % С

содержание углерода в цементите

х 5 6,67 0,33 %. 100

Содержание углерода в стали составляет 0,76+ 0,33 = 1,09 % С, что соответствует стали У11.

8

1.2. Отличие при микроанализе доэвтектоидных сталей от заэвтектоидных

Наиболее распространенный травитель для микрошлифов сталей—5%-йрастворазотнойкислотывспирте иливоде.После травления стали этим раствором избыточные ферриты и цементит по сравнению с темным перлитом кажутся светлыми.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях имеется одна общая для обоих типов структур составляющая — перлит. Отличить при микроанализе до- и заэвтектоидные стали друг от друга можно только по избыточным выделениям. Если в структуре находится избыточный феррит, то сталь доэвтектоидная, если вторичный цементит — заэвтектоидная.

Можно отметить три способа определения до- и заэвтектоидных сталей.

1.Относительное весовое количество избыточного феррита в доэвтектоидных сталях может изменяться от 100 % (точка Р) до 0 % (точка S). В то же время количество вторичного цементита

взаэвтектоидных сталях может изменяться в узких пределах — от 0 % (точка S) до 15 % (точка Е).

Таким образом, если в отожженной стали наряду с темным перлитом обнаруживается светлая составляющая, занимающая более 15 % всей площади шлифа, видимого в микроскоп, то эта светлая составляющая является избыточным ферритом и сталь, следовательно, доэвтектоидная.

2.Еслиотносительноеколичествосветлойсоставляющейменьше 15 % или если при микроанализе трудно произвести количественную оценку, то эта светлая составляющая может оказаться как избыточным ферритом, так и вторичным цементитом.В этом случае следует использовать индикаторный травитель (горячий щелочной раствор нитрита натрия), который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет, оставляя феррит светлым.

3.Если избыточная фаза занимает менее 15 % площади шлифа, протравленного азотной кислотой, то при наличии некоторого опыта можно отличить вторичный цементит от избыточного феррита по форме и оттенку выделений. Сетка из избыточного феррита после отжига составлена из отдельных компактных частиц, в то время как вторичный цементит на

9

шлифе выявляется в виде непрерывной сетки. Сетка из вторичного цементита выдается в рельефе, так как твердый цементит после полировки слегка выступает над более мягким перлитом. Вторичный цементит выделяется так же в виде изорванных игл по границам и внутри колоний перлита. Наконец, твердый цементит лучше полируется, чем мягкий феррит, и кажется под микроскопом более светлым по сравнению с ферритом, так как лучше отражает свет.

1.3. Определение размера зерна

Для определения размера зерна разработаны разнообразные методы. Наиболее простым является метод сравнения микроструктуры стали при увеличении в 100 раз со стандартными размерами зерен. Эти размеры указаны в таблице стандарта (цифры 1, 2, 3 и т.д. обозначают номер зерна). В основе этой шкалы лежит соотношение:

f= 500∙28–N.

где f — натуральная площадь зерна, мкм2; N — стандартный номер зерна по стандарту, определенный с помощью микроскопа.

1.4.Порядок выполнения работы

1.Изучить и зарисовать структуру семи образцов сталей.

2.Определить площади каждой структурной составляющей в сталях и по ним — количество углерода.

3.Указатьмарку сталипо стандартуиобластиее применения.

4.Определить размер зерна технического железа и заэвтектоидной стали.

5.Сделать выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.Приведите классификацию стали по микроструктуре.

2.Укажите содержание серы и фосфора в сталях обычного качества

икачественных сталях.

3.Укажите максимальное содержание углерода в конструкционных

ив инструментальных сталях.

4.Укажите структуру сталей: Сталь 08, Сталь 10, Сталь У10, Сталь

У13.

5.Как отличить феррит и цементит при микроструктурном анализе?

10