2. Микроскопический анализ строения углеродистых сталей в равновесном состоянии

Как видно из диаграммы состояния Fe - Fe₃C (см. лаб. работу № 1), структура стали в равновесном состоянии (после медленного охлаждения) определяется содержанием углерода. Фазовое состоя­ние всех сталей одинаково: присутствуют две фазы-феррит (твер­дый раствор внедрения углерода в а-железе) и цементит (карбид железа Fe₃C). Исключение составляют сплавы, содержащие менее 0,006 % С, в которых при комнатной температуре имеется только феррит. В сталях разного состава количественное соотношение фер­рита и цементита неодинаково, его определяют по правилу рычага (отрезков).

По микроструктуре в равновесном состоянии различают:

техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превраще­ние (до 0,025 % С);

доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8 % С);

эвтектоидные стали (0,8 % С);

заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14 % С).

16

В техническом железе микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (при содержании углерода до 0,006 %), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями цементита третичного (рис. 3, а).

Третичный цементит выделяется по границам зерен феррита и образует разорванную сетку, так как количество его невелико.

В доэвтектоидных сталях две структурные составляющие: из­быточный феррит, образующийся в результате аллотропического

превращения аустенита, и эвтектоид (перлит), который возникает при эвтектоидном превращении (рис. 3, б). При этом, чем ближе концентрация в доэвтектоидной стали к точке S (0,8 % С), тем боль­ше в ее структуре перлита и меньше феррита (феррит - светлые зер­на, а перлит - темные зерна).

Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (см. рис. 3, б), при малом количестве - в виде сетки по границам исходных зерен аустенита (рис. 3, в). При малом количестве перлита (в сталях с 0,1 % С) он вырождается: эвтектоид-ный феррит присоединяется к ферриту избыточному, а эвтектоид-ный цементит выделяется по границам зерен феррита. Структура в этом случае подобна структуре технического железа.

Перлит в эвтектоидной стали имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний (рис. 3, г).

В заэвтектоидных сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный (П + Ц_II). Вторичный цементит выделяется перед эвтектоидной реакцией из аустенита из-за уменьшения раство­римости углерода в железе при понижении температуры. Цементит вторичный выделяется по границам зерен аустенита, образуя свет­лую сетку (рис. 3, д). Ячейки этой сетки заполняют колонии перли­та, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превраще­нии после завершения выделения вторичного цементита.

Таким образом, по микроструктуре можно качественно отли­чить углеродистые стали разного состава. В табл. 2 представлены данные о фазовых и структурных составляющих этих сталей.

			Таблица 2
Техническое название сплава	Содержание С, % по массе	Фазы при 20 °С	Структурные составляющие при 20 °С
Техническое железо	0...0,006 0,006...0,025	Fe Fe,Fe3C	Ф
Доэвтектоидная сталь	0,025...0.8	Fe,Fe3C	Перлит Физб
Эвтектоидная сталь	0,8	Fe,Fe3C	Перлит
Заэвтектоидная сталь	0,8...2,14	Fe,Fe3C	Перлит, ЦII

.18

По микроструктуре возможна и количественная оценка хими­ческого состава стали. Для этого необходимо определить площадь каждой структурной составляющей (на глаз или методом количе­ственной металлографии) и по правилу рычага найти содержание углерода. Например, для доэвтектоидной стали, если на просмат­риваемом поле шлифа перлит занимает примерно 30 % общей пло­щади, а феррит - 70 %, то, составляя пропорцию, получим:

Фазы в углеродистой стали сильно отличаются друг от друга механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Механические свойства стали зависят от свойства фаз. Однако существенное влияние на механические свойства стали оказывает и ее микроструктура. В этом можно убедиться, сравнив свойства отдельных фаз со свойствами перлита (табл. 3).

			Таблица 3
Структура (фаза)	Механические свойства
	Твердость НВ, МПа	Предел прочности при растяжении, МПа	Поперечное сужение, %
Феррит	700...900	190...250	40...50
Цементит	7500...8000	30	<1
Перлит пластинчатый	1900...2400	880...900	9...12
Перлит зернистый (0,8%С)	1600... 1900	650...700	18...25

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали, имеющие структуру пла­стинчатого перлита или перлита с цементитом вторичным, облада­ют повышенной твердостью. Для ее снижения стали подвергают отжигу с нагревом до 740...780 °С и последующе медленным ох­лаждением («сферовдирующий отжиг»). При таком отжиге вторич­ный цементит и цементит эвтёктоида принимают глобулярную, т. е.

19

зернистую, форму (рис. 4), а твердость материала снижается (см. табл. 3). В такой структуре отличить цементит вторичный от цементита эвтектоида практически невозможно.

Таким образом, структура стали характеризует ее свойства, а следовательно, и область применения. Доэвтектоидные стали явля­ются конструкционными сталями, применяемыми для изготовления большой номенклатуры деталей машиностроения. Увеличение содер­жания углерода в них сопровождается повышением твердости и проч­ности и уменьшением пластичности и ударной вязкости (рис. 5).

Стали, содержащие углерода более 0,7 %, используются, в ос­новном, как инструментальные. Высокоуглеродистые стали (С >= 1,0 %) характеризуются повышенной твердостью, износостой­костью, применяются для изготовления режущего инструмента. Стали с меньшим содержанием углерода обладают наряду с высо­кой твердостью и прочностью достаточной вязкостью, используются для инструмента, подвергающегося ударам.

Для проведения микроанализа используются специальные об­разцы, называемые микрошлифами. Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке до зеркально­го блеска его поверхности, выбранной для исследования. Шлифов­ку проводят на шлифовальной бумаге с зернами различной круп­ности при постепенном переходе от шлифовальной бумаги с круп­ным зерном к шлифовальной бумаге с более мелким зерном до пол­ного удаления рисок.

20

Механическая предварительная полировка ведется на вращаю­щихся кругах, обтянутых грубым сукном, на которые периодичес­ки наносятся водная взвесь окиси хрома, алюминия или других окис-лов в виде мелкодисперсных порошков. Окончательная полировка ведется на тонком мягком сукне (фетре), смачиваемом тонкой взве­сью тех же окислов.

Широко применяют электролитическое полирование, при ко­тором образец в качестве анода помещается в электролитическую ванну.

Для выявления микроструктуры образец после полировки под­вергают травлению, которое позволяет определить число, размеры, форму, взаимное расположение и количественное соотношение фаз и структурных составляющих. Травление заключается во взаимо­действии металла поверхности микрошлифа с химически активны­ми растворами кислот, щелочей, солей в спирте или в воде в зависи­мости от свойств и строения исследуемого металла.

21

В процессе травления образуются микрогальванические пары, и структуры с более отрицательным электродным потенциалом бу­дут играть в них роль анода и растворяться. Более интенсивно, чем само зерно, протравляются границы зерен металла, которые обога­щены различными примесями, а это способствует образованию микрогальванических элементов В результате на границах зерен после травления образуются углубления, которые под микроскопом дают больше рассеянных лучей и выглядят более темными, поэто­му структура перлита под микроскопом имеет вид темных и свет­лых полос, так как феррит растворяется быстрее, чем цементит.

Практическая часть работы состоит в изучении микрострук­туры типичных железоуглеродистых сплавов: технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей. Выполняя эту работу под руководством преподавателя и лаборанта необхо­димо:

1) зарисовать (схематично) микроструктуру образцов коллек­ ции, указав увеличение микроскопа, структурные и фазовые состав­ ляющие. Результаты представить в виде табл. 4;

2) определить содержание углерода в образцах (по указанию пре­ подавателя) на основании количественной оценки относительного объема структурных составляющих. Результаты занести в табл. 4;

				Таблица 4
Номер образца	Зарисовка микроструктур	Структурные составляющие, названия	Фазовые составляющие	Техническое название я содержание углерода в сплаве

22

3) по указанию преподавателя расшифровать марку строитель­ной стали, указав при этом ее качество, способ раскисления, при­мерное содержание химических элементов и область рационально­го применения.

Содержание отчета

1. Цель и задачи работы.

2. Результаты исследования микроструктуры заданных образ­цов.

3. Расшифровка указанной марки строительной стали с указа­нием области ее практического применения.

4. Выводы по работе (зависимость микроструктуры и фазового состояния от состава углеродистой стали: какие фазы образуют сетку по границам зерен; что сильнее влияет на свойства стали - фазовое состояние или ее микроструктура).

Лабораторная работа № 3 ЗАКАЛКА СТАЛИ

Цель лабораторной работы - изучение влияния термической обработки на механические свойства стали.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо:

1) изучить превращения переохлажденного аустенита углеро­ дистой стали;

2) освоить методику проведения термической обработки;

3) экспериментально определить оптимальную температуру за­ калки углеродистой стали.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование - нагревательные печи, приборы для испытания образцов на твердость - по методу Роквелла и ультразвуковой твер­домер, бак с водой, щипцы, рукавицы, штангенциркуль;

материалы - образцы из углеродистой стали, наждачная бумага;

плакаты - диаграмма состояния железо-цементит, диаграмма изотермического распада аустенита, схема прибора Роквелла;

справочная литература - стандарты, справочники.

23

Термической обработкой называют процессы теплового воздей­ствия на материалы с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Структура сплавов, в основном, определяется термической об­работкой, заключающейся в их нагреве до различных температур и охлаждении с различными скоростями. При этом свойства сплавов изменяются в широких пределах.

1. Превращения в стали при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температур выше линии GS (доэвтектоидная сталь) или выше линии SE (заэвтектоидная сталь), переохладить до темпера­тур ниже критической точки A_I то аустенит претерпевает превра­щения.

Ниже температуры 727 °С аустенит неустойчив, так как его сво­бодная энергия выше свободной энергии продуктов его превраще­ния. Наиболее полное представление о превращениях аустенита при различных степенях его переохлаждения дает диаграмма изотер­мического распада аустенита (С-диаграмма). Для изучения изотер­мического превращения аустенита небольшие образцы стали нагре­вают до температур, соответствующих существованию стабильно­го аустенита (т. е. выше критической точки), а затем быстро охлаж­дают до температуры 700, 600, 500 °С и выдерживают при каждой из перечисленных температур до полного или частичного распада аустенита, после чего охлаждают в воде. По результатам строят кривую, которая показывает количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада (рис. 6).

Как видно из рисунка, по истечении определенного промежут­ка времени (инкубационный период), различного для каждой из тем­ператур, аустенит начинает распадаться с образованием ферритно-цементитной смеси - перлита.

Твердость и прочность ферритно-цементитной смеси прямо про­порциональны площади поверхности раздела между ферритом и наиболее твердой фазой I цементитом. Поэтому с увеличением сте­пени дисперсности (чем тоньше пластинки) ферритно-цементитной смеси, т. е. с понижением температуры его распада, твердость, пре-

24

дел прочности, текучести и выносливости возрастают.

Образующаяся при небольшом переохлаждении аустенита круп­нопластинчатая ферритно-цементитная смесь называется перлитом. При большем переохлаждении среднепластинчатую смесь называ­ют сорбитом, а тонкопластинчатую смесь - трооститом. Однако указать границы перехода от одной структуры к другой невозмож-но, так как толщина пластинок меняется непрерывно.

При переохлаждении эвтектоидной стали до 240 °С диффузи­онные процессы настолько затруднены, что аустенит не распадает-

25

ся, а лишь испытывает аллотропическое превращение без измене­ния состава. Образующая структура называется мартенситом Сле­довательно, мартенсит - это пересыщенный твердый раствор вне­дрения углерода в Fe_a.

Мартенсит закалки имеет не кубическую, а тетрагональную ре­шетку. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали. Мартенситное превращение возможно только в случае, если сталь охлаждается со скоростью, обеспечивающей переохлаждение аустенита до низких температур, при которых не протекают диф­фузионные процессы. Мартенситное превращение начинается при определенной температуре, называемой температурой начала мар-тенситного превращения (М_н) и протекает в широком интервале температур.

По достижении определенной для каждой стали температуры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется концом мартенсигаого превращения и обо­значается М_к . Положение точек М_н и М_к не зависит от скорости ох­лаждения и определяется только химическим составом аустенита.

Вследствие сильного искажения кристаллической решетки a-железа внедренными в нее атомами углерода мартенсит облада­ет высокой твердостью и низкой пластичностью. Мартенситное пре­вращение сопровождается увеличением объема стали, что является основной из причин возникновения при закалке больших напряже­ний, вызывающих деформацию или даже появление трещин.

Минимальная скорость, при которой аустенит не распадается, а испытывает только мартенситное превращение, называется кри­тической скоростью закалки v .

Закалка. Этот вид термической обработки заключается в нагре­ве доэвтектоидной стали до температуры Ас₃ +(30.. .50) °С (полная закайка), а для заэвтектоидной стали - до Ас₁ +(30.. .50) °С (непол­ная закалка), выдержке при этих температурах и последующем ох­лаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 7). За­калку проводят с целью достижения высокой твердости, износос­тойкости и прочности. Закалка не является окончательной опера­цией. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закал­кой, и получить требуемые механические свойства, сталь после за­калки обязательно подвергают отпуску.

Неполная закалка доэвтектоидной стали применяется весьма

26

редко. Дело в том, что в структуре этой стали, нагретой до темпера­туры Ac₁ +(30.. .50) °С, наряду с аустенитом всегда будут находить­ся и зерна феррита. В результате быстрого охлаждения аустенит перейдет в мартенсит, а феррит никаких превращений претерпевать не будет и поэтому сохранится в структуре закаленной стали. При­сутствие мягкого феррита в структуре закаленной стали существен­но снизит ее твердость.

Заэвтектоидные стали, наоборот, подвергаются обычно непол­ной закалке, после которой в их структуре, наряду с мартенситом, будет находиться еще и очень твердый вторичный цементит. Сталь с такой структурой обладает высокой твердостью и износостойкос­тью по сравнению со сталью после полной закалки.

Экспериментально температура закалки может быть определе­ на по изменению твердости стали, закаленной с различных темпе­ ратур. Например, для доэвтектоидной стали начало резкого повы­ шения твердости соответствует пересечению линии Ас₁, а максималь­ ное значение твердости достигается закалкой с температуры Ас₃ когда в структуре закаленной стали фиксируется лишь один мар­ тенсит.

2. Методика проведения термической обработки и исследование ее влияния на механические свойства стали

Студенты делятся на подгруппы по 4.. .6 человеку Каждая под­группа получает по одному образцу из конструкционной стали, предназначенному для испытаний на твердость. Выбор образцов

27

определяется преподавателем.

Термообработку образцов каждая подгруппа проводит само­стоятельно по одному из режимов, приведенных в табл. 5 (режим определяет преподаватель), в такой последовательности.

1. Образец помещается в печь при температуре на 30.. .50 °С ниже заданной. После достижения заданной температуры и соответству­ющей выдержки (определяется из расчета 1,5...2 мин на 1 мм тол­щины образца) при температуре нагрева производится охлаждение образца в воде.

Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и температура закалки соответствовала темпера­туре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают в ней (не извлекая из воды) для разрушения образую­щейся паровой рубашки.

2. После закалки одну плоскость образца зачищают наждачной бумагой от окалины, и на приборе Роквелла или ультразвуковым твердомером замеряют твердость (на каждом образце осуществля­ют три замера и находят среднеарифметическое значение). Полу­ченные значения твердости заносят в табл. 5.

					Таблица 5
№ п/п	Темпера­тура закалки, °С	Время выдержки, мин	Охлади­тель	Твер­дость пo HRC	Схематическое изображение микроструктур и их название
1	650
2	750
3	800
4	850

28

3. По этим значениям строится график зависимости твердости образца от температуры закалки.

4. На основании полученного графика определяются значения критических точек и оптимальная температура закалки.