Анализ диаграммы состояния железо-цементит, изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей

Цель работы: Изучить микроструктуры углеродистых сталей и их маркировку. Рассмотреть превращения, проте­кающие в железоуглеродистых сплавах в соответствии с диаграммой состояния.

План работы

1. Изучить основные превращения, протекающие в же­лезоуглеродистых сплавах, кристаллизующихся по диаграм­ме железо-цементит.

2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей по микрошлифам, определив содержание углерода и марку в образцах доэвтектоидной стали.

3. Определить на образцах углеродистых сталей твердость на приборе Роквелла по шкале HRB.

Пояснения к работе

Компонентами системы Fe — Fe₃С являются железо Fe и цементит Fe₃С.

Железо кристаллизуется при температуре 1539°С, в твердом состоянии претерпевает полиморфные превращения:

1. α - Fe имеет кристаллическую решетку объемно-центриро­ванного куба и существует при температурах ниже 911⁰С.

2. γ-Fe имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и сохраняется в интервале температур 911— 1392⁰С;

3. δ-Fe имеет кристаллическую решетку объемно-цснтрированного куба, является высокотемпературной модификацией α - Fe и существует при температурах 1392—1539⁰.

При температуре 768⁰С (точка Кюри) железо меняет магнитное состояние; ниже 768⁰С железо ферромагнитно, а нише—немагнитно.

Второй компонент системы—цементит, он имеет ромбическую решетку и является метастабильным соединением, и при высоких температурах и больших концентрациях углерода диссоциирует с образованием графита и твердого раствора углерода в α - Fe или γ-Fe.

Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

На диаграмме Fe — Fe₃С различают в твердом состоянии три фазы: феррит, аустенит, цементит и три структурных составляющих: перлит, ледебурит эвтектический и. ледебурит превращенный.

Феррит Ф – твердый раствор внедрения углерода в α – Fe при 727⁰С может содержать 0,02% углерода, при комнатной – около 0,01%, пластичный, имеет твердость около 600 МПа. При растворении в феррите марганца, кремния, фосфора твердость повышается до 900 МПа. Феррит ферромагнитен до температуры 768⁰С, является чистым железом, имеет предел прочности примерно 250 МПа.

Аустенит А - твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe. При 1147⁰С может содержать до 2,14% углерода, при 727⁰С – 0,8%. Аустенит немагнитен, вязок, имеет твердость до 2000 МПа (назван по имени английского ученого Р. Аустена).

Цементит Ц – карбид железа Fe₃C, содержит 6,67%С, хрупкий, твердость 8000 МПа, слабомагнитный (при 217⁰С полностью теряет магнитные свойства). Различают цементит первичный, вторичный и третичный. Цементит первичный кристаллизуется из жидкого сплава по линии DC. Цементит вторичный выпадает из аустенита по линии ES и располагается по границам зерен перлита. Цементит третичный выделяется из феррита по линии PQ.

Перлит П – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется в результате распада аустенита концентрации точки S при температуре 727⁰С и содержит 0,83% С. Перлит может быть пластинчатым и зернистым. Твердость перлита увеличивается с его дисперсностью. Твердость зернистого перлита 1600 – 2200 МПа, а пластинчатого – 2000 – 2500 МПа.

Ледебурит Л – эвтектика, представляет собой эвтектическую смесь цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Кристаллизуется ледебурит из жидкого сплава концентрации точки С при температуре 1147⁰С. Назван по имени немецкого ученого А. Ледебура.

Ледебурит превращенный состоит из цементита первичного и перлита, существует при температурах ниже 727⁰С, отличается большой твердостью (7000 МПа) и хрупкостью.

Рис. 1Диаграмма состояния железо – цементит

Построение кривых охлаждения заданных сплавов по диаграмме состояния

Имея диаграмму состояния, можно построить схемати­ческую кривую охлаждения выбранного сплава, которая отобразит характер кривой охлаждения, полученной экспе­риментально.

Для построения схематической кривой охлаждения выб­ранного сплава на оси концентрации диаграммы состояния находим точку, соответствующую составу сплава, и прово­дим вертикальную линию.

В местах пересечения с лилиями диаграммы отмечаем критические точки 1, 2, 3, 4 (рис. 2) и проектируем па ось температур координатной системы «температура—время». При построении схематической кривой следует руководствоваться соображением, что при наличии в системе процес­сов, сопровождающихся выделением тепла, температура по­нижается медленнее при одновариантном равновесии или будет температурная остановка при безвариантном состоя­нии. Температура понижается быстрее, если в системе не происходит процесс с выделением тепла.

В нашем примере (рис. 2) охлаждение жидкого сплава происходит быстро, в процессе кристаллизации будет за­медление охлаждения, т. к. тепло кристаллизации в течение длительного времени частично компенсирует теплоотдачу в окружающую среду. После окончания кристаллизации ско­рость охлаждения увеличивается, температура снова будет понижаться быстро. При выделении вторичной фазы из твер­дого раствора охлаждение замедляется, но не так сильно, как при кристаллизации из жидкого сплава. При эвтектиче­ском, эвтектоидном и перитектическом превращениях в двухкомпонентной системе должны быть температурные остановки.

Углы наклона отдельных участков в кривой охлаждения должны быть в следующей зависимости:

φ_ж→m< φ_m→m< φ_m

где φ_ж→m — угол наклона участка кривой охлаждения, соответствующего одновариантному равновесию между твердой и жидкой фазами; φ_m→m — угол наклона участка, соответствующего одновариантному равновесию между двумя твердыми фазами (скрытая теплота кристаллизации меньше, чем в предыдущем случае) ; φ_m — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию жидкой фазы (происходит только остывание сплава без кристаллизации со скоростью, большей, чем б первых случаях) »_т — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию твердой фазы (остывание твердой фазы проте­кает интенсивнее, чем жидкий, т. е. теплоемкость первой меньше теплоемкости второй).

Рис.2 Построение схематической кривой охлаждения

по диаграмме состояния

Правильность построения кривой охлаждения проверяется определением вариантности по правилу фаз. Для рассмотренного выше заэвтектоидного сплава превращения, происходящие при охлаждении, можно записать так:

с понижением температуры до т. 1—охлаждение жидкой фазы

тт. 1—2 , две фазы, число степеней свободы С= 1, идет процесс кристаллизации с понижением температуры;

тт. 2 — 3 фазовых превращений нет, идет охлаждение аустенита, фаза одна, число степеней свободы С= 2;

тт. 3 — 4 две фазы, число степеней свободы С= 1;

т. 4 три фазы, число степеней свободы С=0.

Кристаллизация перлита происходит при постоянной температуре, это эвтектоидное превращение.

Структура сплава при температурах ниже точки 4 будет состоять из цементита вторичного и перлита.

Структура и классификация углеродистых сталей

Стали по структуре делят на:

- доэвтектоидные (до 0,8%С) - Ф+П;

- эвтектоидные (0,8 %С) - П;

- заэвтектондные (0,8-2,14%С) – П+Ц_II.

 135  135  135

Сталь 05 Сталь 20 Сталь 40

(0,05%С) (0,2%С) (0,4%С)

 135  135

Сталь У8 Сталь У12

(0,8%С) (1,2%С)

Рис. 3 Микроструктуры сталей

Зависимость твердости углеродистых сталей от их структуры в равновесном состоянии

Структура углеродистой стали состоит из феррита и цементита. Согласно закону Курнакова, изменение свойств-сплавов смесей, в зависимости от их состава имеет прямолинейный характер,

следовательно, твердость углеродистой стали будет изменяться по закону прямой линии в зависи­мости от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость.

Структура углеродистых сталей в равновесном состоя­нии (медленно охлажденных) зависит от их состава (содер­жания углерода), а свойства сталей—от их структуры. По­лучается цепь причинно-следственной связи «состав—струк­тура—свойства». В эту цепь входит еще одно звено—техно­логический процесс, с помощью которого при одинаковом составе сплава можно получать различные структуры, так что полная цепь исследуемых в металловедении зависимостей описывается схемой: состав—технологический процессе— структура—свойства.

При изменении твердости доэвтектоидных сталей наблю­дается прямолинейное изменение ее от твердости, феррита к твердости перлита пропорционально их соотноше­нию к структуре. Для эвтектоидных сталей по величине твер­дости можно определить примерно прочность сталей: σ_в= 0,35 НВ. Для заэвтектоидных сталей эта зависимость несправедлива: твердость сталей повышается, а предел прочности падает из-за охрупчивания ее сеткой цемен­тита вторичного по границам перлитных зерен.

Задание 1 Необходимо замерить твердость сталей с различным содержанием углерода и результаты замеров занести в таблицу 1.

Номер образца	Марка стали	Содержание углерода, %	Твердость		σв, МПа
			HRB	HB
1	Сталь05	0,05
2	Сталь 20	0,2
3	Сталь 40	0,4
4	Сталь80	0,8
5	У12	1,2

Таблица 1

Химический состав и механические свойства углеродистых сталей

Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей

Сталь можно классифицировать:

по назначению

- на конструкционную, содержащую до 0,7% углерода,

- на инструментальную с содержанием углерода более 0,7%;

по качеству

- обыкновенного качества (ГОСТ 380-71);

- качественную (ГОСТ 1050-74);

- высококачественную (ТУ 14-1-196-73).

Качество	Конструкционная	Инструментальная
Обыкновенного качества	Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4 Ст 5, Ст 6, где 0,1,2…6 – номера марок	_______
Качественная	Сталь 20 – 0,2%С Сталь 40 – 0,4%С Сталь 65 – 0,65%С	У7 – 0,8%С У8 – 0,8%С У12 – 1,2 %С
Высокока- чественная	Сталь 45А – 0,45%С, буква А обозначает, что сталь высоко качественная	У13А – 1,2 %С, буква А обозначает, что сталь высоко качественная

Сталь обыкновенного качества делится на три группы:

группа А поставляется по механическим свойствам

Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, вт 5, Ст 6;

группа Б — по химическому составу

БСтО, БСт 1, БСт 2, БСт ,4, БСг 4, БСт 5, ЬСт 6.

группа В — по механическим свойствам и химическому составу ВСт 1, ВСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготовляют:

- кипящей (КП), раскисленной Mn;

-полуспокойной (ПС), раскисленной Mn и Аl;

- спокойной (СП), раскисленной Mn, Аl и Si

С номерами 5 и 6—полуспокойной и спокойной. Полуспокойная сталь с номерами марок 1—5 производится с обычным и повышенным содержанием марганца. В обозначении марок стали с повышенным содержанием марганца ставят букву Г, например: Ст ЗГпс, ВСг ЗГпс.

Стали обыкновенного качества наиболее дешевые получили широкое применение. В процессе выплавки они по срав­нению с качественными сталями меньше очищаются от инородных примесей и содержат больше серы и фосфора. Из них изготовляют горячекатаный прокат: балки, прутки, шнеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работа­ющие при относительно невысоких напряжениях. Широко применяют также для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

Сталь углеродистая конструкционная качественная. (ГОСТ 1050-74). От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (<0,04%), фосфора(< 0,035—0,04%) и меньшим количеством неметаллических включений.

Качественные конструкционные стали маркируются двухзначными числами, которые показывают содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 05 - 0,05 %С, сталь 08 – 0,08%С, сталь 10 – 0,1%С, сталь 15 – 0,15%С и т. д. до сталь 85 – 0,85%С. Низкоуглеродистые ста­ли могут быть спокойными или кипящими. Кипящая сталь имеет в конце марки букву кп. Если в стали содержание марганца 0,7 4- 1 %, то в конце марки ставят букву Г, на­пример, сталь 15Г.

Сталь, изготовляется горячекатаной калиброванной, которая отличается пониженным содержанием вредных приме­сей (серы до 0,015%, фосфора до 0,025%). Стали марок 20-СШ, 25-СШ, 45-СШ выплавляются с обработкой синте­тическими шлаками в ковше. Из конструкционных низкоуглеродистых (до 0,3%) качественных сталей изготавливают кулачковые валики, оси, втулки, шестерни (штамповкой, сваркой, обработкой резанием); из среднеуглеродистых ста­лей (0,3—0,55%С) — валы, шатуны, шестерни, работающие при больших нагрузках.

Высокоуглеродистые стали (0,6— 0,85%С) используют для изготовления деталей, от которых требуются в процессе эксплуатации прочность, износостой­кость, высокие упругие свойства.

Сталь инструментальная углеродистая (ГОСТ 1435-74). В зависимости от химического состава стали делятся на группы:

качественные У7, У8...У13;

высококачественные У7А, У8А...У13А;

стали с повышенной массовой долей марганца У8Г, У8ГА, Высококачественные стали более чистые по содержанию серы, фосфора, неметаллических включении, В обозначении марок стали буква «У» обозначает углеродистая, а цифра за ней—среднее содержание углерода в десятых долях про­цента.

Стали этой группы используются для изготовления зу­бил, кузнечных штампов, клейм (У7) матриц, пуансонов (У8), сверл, метчиков, разверток (У9, У10). мерительного ин­струмента (У12, У13). Область применения определяется следующими свойствами: стали У7, У7А имеют достаточную твердость при умеренной вязкости и могут использоваться для инструментов, подвергающихся ударам; с увеличением содержания углерода в сталях твердость и износостойкость возрастают, а вязкость снижается, поэтому изделия не дол ле­ны испытывать ударных нагрузок.

Задание2. Вычертить диаграммуFe-Fe₃Cи построить кривую охлаждения для сплава заданной концентрации

Ва ри- ант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
С, %	0,1	0,5	0,8	1,0	1,1	1,2	1,5	1,8	2,2	2,6	2,9	3,2	3,8	4,2	4,5	4,8	5,1	5,4	5,8	6,1	6,3	6,5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5