4.1.3 Микроструктура углеродистых сталей после отжига

Микроструктура стали выявляется путем травления полированных образцов 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. По микроструктуре все стали можно разделить на следующие группы.

Доэвтектоидные – с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % – имеют ферритно-перлитную структуру. Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Соотношение между ними можно определить по правилу отрезков. Например, в сплаве I (0,5 % углерода):

или

%; %,

где g_ф – количество феррита;

g_п – количество перлита.

Чем больше перлита в структуре стали, тем выше прочность (твердость, предел прочности) и ниже пластичность и вязкость.

Эвтектоидная сталь содержит 0,80 % углерода, структура – перлит.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,80 до 2,0 %, структура – перлит и цементит вторичный (Ц_II).

В отожженной стали Ц_II располагается по границам перлитных (бывших астенитных) зерен в виде сетки (см. рисунок 4.2, д). Так как цементит хрупок и тверд, расположение его в виде сетки снижает пластичность, вязкость и прочность стали (кроме твердости). Количество цементита вторичного (g_ЦII) увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Например, для стали У10 (1 % углерода)

%,

а для стали У13 (1,3 % углерода)

%.

Сплавы, содержащие менее 0,025 % углерода, называют техническим железом. Структура таких сплавов – феррит (С < 0,006 %) или феррит с включениями цементита третичного Ц_III. Цементит третичный выделяется по границам ферритных зерен в виде отдельных зерен или сетки.

4.2 Материалы и принадлежности

• Коллекция микрошлифов сталей с различным содержанием углерода и микрофотографии к ним.

• Образцы сталей с разным содержанием углерода для замера твердости.

• Контрольные образцы сталей для самостоятельной работы студентов.

• Микроскопы.

• Твердомеры ТШ и ТК.

4.3 Порядок выполнения работы

4.3.1 Просмотреть коллекцию микрошлифов сталей различных марок. Зарисовать микроструктуру технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм (отдельные структурные составляющие указываются стрелками, а справа от микроструктуры дается описание видимого в микроскоп изображения). Обратить внимание на окраску, форму, размер основных структурных составляющих стали и на изменение ее структуры с увеличением содержания углерода.

4.3.2 Измерить твердость по Роквеллу (НRВ) предложенных образцов сталей с различным содержанием углерода. Построить кривую изменения твердости НRВ в зависимости от содержания углерода.

4.3.3 Просмотреть и зарисовать микроструктуру двух предложенных образцов сталей (структуру зарисовать в круге диаметром 35 – 40 мм при увеличении 150 – 200 раз, указать структурные составляющие).

По структуре, определив примерно (на глаз) площадь, занятую зернами перлита и феррита, подсчитать содержание углерода в образцах стали (используя правило отрезков). Например, структура изучаемого образца – ферритно-перлитная (см. рисунок 4.2, б). Зерна перлита занимают примерно 20 % от всей площади шлифа (F_п ≈ 20 %), а зерна феррита – 80 % (F_ф ≈ 80 %). Это соответствует отношению F_п : F_ф = 1 : 4.

Углерод, присутствующий в стали, распределяется между этими структурными составляющими, следовательно:

,

где С – содержание углерода в стали, %;

0,83 и 0,025 – содержание углерода в перлите и феррите соответственно, %;

F_п, F_ф – площадь, занятая зернами перлита и феррита в процентах или частях (соответственно).

Так как в феррите содержится ничтожно мало углерода (менее 0,025 %), слагаемым F_ф∙0,025 можно пренебречь, и содержание углерода в доэвтектоидной стали определяется следующим образом:

, %.

В нашем примере:

%.

4.3.4 По содержанию углерода определить марку стали (считаем, что стали качественные). Например, сталь содержит 0,56 % С, следовательно, ее марка – 55; 0,16 % С – 15; 0,38 % С – 40.

4.3.5 Объяснить, как сформировалась структура в исследуемых образцах. Для этого вычертить в масштабе диаграмму состояния «железо – цементит» (левый нижний угол), провести ординаты сплавов (контрольные образцы) и описать превращения, протекающие в данных сплавах при охлаждении области аустенита.

4.3.6 На основании изученных материалов объяснить изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода.