ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Структура и свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии

1. Цель работы

1. Изучить микроструктуру углеродистых сталей с различным содержанием углеродав равновесном состоянии.

2. Научиться анализировать формирование структуры сплавов при кристаллизации и при фазовых превращениях в твёрдом состоя-нии по диаграмме состояния «железо-цементит».

3. Приобрести навыки определения содержания углерода и марки стали по её структуре.

4. Установить зависимость между структурой и механическими свойствами углеродистых сталей.

5. Освоить маркировку углеродистых сталей.

2. Теоретическая часть

К сплавам железа с углеродом относятся техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо может содержать до 0,02 % углерода. К сталям относятся сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами.

В зависимости от условий кристаллизации углерод в железоуглеродистых сплавах может находиться в свободном состоя-нии в виде графита или в связанном состоянии виде химического сое-динения Fe₃C – карбида железа, называемого цементитом. Соответ-ственно различают диаграммы состояния «железо-графит» (Fe–C) и «железо-цементит» (Fe–Fe₃C). По диаграмме «железо-цементит» происходит формирование структуры сталей и белых чугунов, а по диаграмме «железо–графит» формируется структура серых чугунов.

2.1. Компоненты и фазы в системе железо - углерод

Железо является полиморфным металлом. При нагреве и охлаж-дении полиморфное превращение происходит дважды: при 911 °С и 1392 °С. При температурах ниже 911 °С и в интервале температур 1392…1539 °С железо имеет α – модификацию (Fe_α) с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) решёткой. При высокой температуре эту модификацию называют δ – железо (Fe_δ). В интер-вале температур от 911 до 1392 °С стабильным является γ – железо (Fe_γ) с гранецентрированной кубической (ГЦК) решёткой.

Углерод является неметаллическим элементом. Может нахо-диться в двух полиморфных модификациях: 1) графит – стабильная модификация углерода, имеет гексагональную кристаллическую решетку, обладает низкой прочностью (σ_в = 20 МПа) и высокой электрической проводимостью; 2) алмаз – метастабильная модифи-кация углерода, имеет сложную кубическую решётку, обладает высокой твёрдостью.

В железоуглеродистых сплавах, в зависимости от температуры и концентрации углерода, различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж); твердые растворы – феррит (Ф) и аустенит (А); химическое соединение цементит Fe₃C (Ц). Рассмотрим эти фазы.

Жидкая фаза (Ж) представляет собой неограниченный раствор углерода в железе в горячем расплавленном состоянии.

Аустенит (A) – твердый раствор внедрения углерода в γ- железе (Fe_γ). Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке и поэтому растворимость углерода в Fe_γ значительно больше и достигает 2,14% при температуре 1147 ºС и 0,8 % – при 727 ºС. При комнатной температуре аустенит в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α - железе (Fe_α). Различают низкотемпературный α - феррит с максимальной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С и высокотемпературный δ - феррит с максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499° С. Феррит имеет хорошие пластические свойства (δ =50 %, ψ =80 %), но невысокие прочность (σ_в =250 МПа) и твердость (80...100 НB).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67 % C. Для цементита характерна высокая твердость (800 HBW) и очень низкая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

третичный (Ц_III) - образуется в техническом железе с 0,006…0,020 % С в виде очень мелких дисперсных включений у границ ферритных зерен. Темпе-ратура плавления цементита точно не определена (около I250¹ °С).