Магнитогорск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г. И. НОСОВА»

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

 

 

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Методические указания к выполнению цикла лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 150501, 150101, 150103, 150104, 150105, 150106, 150108, 200503, дневн.и заочн. формы обучения

 

 

 

МАГНИТОГОРСК

Составители: Н.В. Копцева

А.Н. Емелюшин

Е.В. Петроченко

Ю.Ю. Ефимова

 

 

Железоуглеродистые сплавы: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 150501, 150101, 150103, 150104, 150105, 150106, 150108, 200503. Магнитогорск: МГТУ, 2009. – 51 с.

Реценэент Н.Г. Шемшурова

 

 

Емелюшин А.Н., Копцева Н.В., Петроченко Е.В., Ефимова Ю.Ю.

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Лабораторная работа № 1. Изучение фазовых и структурных превращений в сплавах системы «железо – углерод» в зависимости от содержания углерода и температуры 2

2. Лабораторная работа № 2. Влияние углерода на микроструктуру углеродистой стали в равновесном состоянии 31

3. Лабораторная работа № 3. Изучение микроструктуры чугунов в равновесном состоянии 42

 

 

Лабораторная работа № 1

 

ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И ТЕМПЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

При изучении дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» одним из важнейших разделов является металлография сплавов железа с углеродом – сталей и чугунов. Основой для изучения этих сплавов служит диаграмма фазового равновесия системы Fe – C. В указаниях рассматриваются метастабильная и стабильная диаграммы фазового состояния сплавов системы Fe – C; даются характеристики компонентов, фаз и структурных составляющих; рассматривается формирование микроструктуры всех групп сплавов, дается их классификация; указываются приемы быстрого и правильного вычерчивания диаграммы Fe – C.

Для проверки усвоения материала предлагаются контрольные вопросы.

 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИАГРАММЫ

 

Научным фундаментом для построения диаграммы «железо – углерод» явились открытые в 1868 г. Д.К. Черновым критические точки стали, которые соответствовали определенным фазовым превращениям. В 1887 г. английский ученный Р. Аустен, используя данные многих исследований и свои собственные, представил одну из первых диаграмм системы «железо – углерод». В 1900 г. голландский ученый Г. Розебум на основании теоретических рассуждений и экспериментальных данных Р. Аустена, предложил более полную и точную диаграмму [1].

Самое большое сходство с современной диаграммой Fe – C имела диаграмма, построенная в 1906 г. шведским ученым Бенедиксом. В 1958 г. М. Хансен и К. Андерко [2], основываясь на критическом анализе новейших исследований, опубликовали компилятивную диаграмму фазовых состояний сплавов железа с углеродом.

Положение критических точек на диаграмме постоянно уточняется; общий вид современной диаграммы показан на рис. 1. Она построена для сплавов, содержащих до 6,67 % С, поскольку наибольшее практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5 %, и, кроме того, при 6,67 % С образуется химическое соединение карбид железа (Fe₃C), который играет роль второго компонента и линия которого является как бы координатной осью диаграммы.

 

 

Рис. 1. Общий вид современной диаграммы Fe – C [3]

 

Ведутся исследования по созданию полной диаграммы фазового равновесия системы «железо – углерод» в интервале концентраций от 0 до 100 % С. Один из вариантов такой диаграммы представлен на рис.2 [4].

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТОВ И ФАЗ

 

Компонентами в рассматриваемой системе является железо и углерод.

ЖЕЛЕЗО является полиморфным металлом, т.е. может существовать в нескольких полиморфных формах, различающихся кристаллическими решетками. Его температура плавления 1539°С. В интервале 1539 – 1392 °С существует дельта-железо (d - Fe или Fe_d) с кубической объемно центрированной решеткой (ОЦК). В интервале 1392 – 911 °С существует гамма-железо (g - Fe или Fe_g) с кубической гранецентрированной решеткой (ГЦК). Ниже 911 °С устойчивой модификацией является альфа-железо (a - Fe или Fe_a) с решеткой ОЦК. При 768 °С (точка Кюри) происходит магнитное превращение без изменения кристаллической решетки.

 

 

Рис. 2. Полная диаграмма фазового равновесия сплавов системы «железо – углерод» [4]

 

УГЛЕРОД также обладает полиморфизмом и имеет две кристаллические разновидности – графит и алмаз.

При сплавлении железа с углеродом кроме жидкой фазы образуются различные твердые фазы. В каждой из модификаций железа может растворяться определенное количество углерода, и при этом образуются твердые растворы типа внедрения, которые имеют специальные названия.

Дельта-феррит представляет собой твердый раствор углерода в дельта-железе с решеткой ОЦК. Максимальная растворимость углерода в d - Fe составляет 0,1 % при 1499 °С.

Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе с решеткой ГЦК. В g - Fe может раствориться до 2,14 % С при 1147°С.

Феррит (альфа-феррит) – твердый раствор углерода в альфа-железе с кристаллической решеткой ОЦК. Максимальная растворимость углерода в a - Fe составляет 0,025 % при 727 °С.

Все вышеперечисленные твердые растворы углерода в железе имеют высокую пластичность, относительно невысокую прочность и твердость.

Кроме перечисленных твердых растворов в системе «железо – углерод» образуются еще две высокоуглеродистые фазы.

Графит – модификация углерода с гексагональной кристаллической решеткой, слоистой структурой, низкими прочностными свойствами. Фаза стабильная, состоит почти на 100 % из атомов углерода. Температура плавления графита около 3600ºС.

Цементит – карбид железа (Fe₃C) образуется при содержании 6,67 % С, представляет собой фазу внедрения и имеет сложную орторомбическую решетку; температура плавления 1260 ºС. Он является очень твердой и малопластичной фазой. Цементит – метастабильная фаза, которая способна распадаться при высокой температуре на железо и графит по реакции:

 

Fe₃C → 3Fe + C_гр.

 

Таким образом, в медленно охлажденных сплавах возможно образование одной жидкой и пяти твердых фаз. Условия образования и существования этих фаз описываются диаграммами фазового равновесия системы «железо – углерод». Поскольку в зависимости от условий охлаждения может образоваться или метастабильная высокоуглеродистая фаза – цементит, или стабильная – графит, существуют и две диаграммы фазового равновесия этой системы:

1) диаграмма метастабильного фазового равновесия или диаграмма Fe – Fe₃C (железо – карбид железа); она обозначается сплошными линиями;

2) диаграмма стабильного фазового равновесия или диаграмма Fe – C_гр. (железо – графит); она обозначается пунктирными линиями.

Эти диаграммы обычно изображают на одном рисунке и получают совмещенную (полную) диаграмму или диаграмму с двойными линиями. Для лучшего усвоения фазовых превращений рассмотрим диаграммы раздельно.

3. ДИАГРАММА состояния Fe – Fe₃C

(МЕТАСТАБИЛЬНОЕ РАВНОВЕСИЕ)

 

3.1. Общий вид диаграммы Fe – Fe₃C

 

Метастабильную диаграмму (диаграмму «железо – цементит») применяют для описания фазовых превращений в сталях и белых чугунах. Общий вид диаграммы представлен на рис. 3. Поле диаграммы разделено линиями на области различного фазового состояния. Выше линии АВСД расположена область жидкой фазы (Ж); область AHN – область дельта-феррита (d-Ф); область NJESG – область аустенита (А); GPQ – область феррита (Ф); линия LD – область существования цементита (Fe₃C). Таким образом, на диаграмме имеется пять однофазных областей. Остальные области двухфазные.

 

 

Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия системы Fe – Fe₃C

 

Правильность расстановки фаз можно проверить, применив для каждой двухфазной области правило рычага: концы горизонтали, проведенной через фигуративную точку сплава, показывают составы фаз, находящихся в равновесии.

 

3.2. Характеристика линий и точек диаграммы

 

Множество линий на диаграмме свидетельствует о многообразии фазовых превращений, но при внимательном рассмотрении видно, что все геометрические образы этих превращений уже знакомы, встречались в других системах, рассмотренных ранее в теме «Двухкомпонентные системы».

Верхняя линия АВСД – линия ликвидуса или линия начала кристаллизации. Она состоит из трех частей:

АВ – линия начала кристаллизации дельта-феррита;

ВС – линия начала кристаллизации аустенита;

СД – линия начала кристаллизации цементита.

Линия AHJECF – линия солидуса или линия конца кристаллизации. Она также состоит из нескольких частей:

AH – линия конца кристаллизации дельта-феррита;

JE – линия конца кристаллизации аустенита;

HJB – линия перитектического превращения:

Ж_B + d-Ф_H ® А_J;

ECF – линия эвтектического превращения:

Ж_C ® А_E+ Fe₃C_F

Остальные линии характеризуют превращения в твердом состоянии:

NH и NJ – линии начала и конца полиморфного превращения (при охлаждении):

d → g;

GS и GP линии начала и конца полиморфного превращения (при охлаждении):

g → a;

ES – линия начала выделения цементита из аустенита: А ® Fe₃C (при охлаждении);

PQ – линия начала выделения цементита из феррита: А ® Ф (при охлаждении);

PSK – линия эвтектоидного превращения:

А_S ® Ф_P + Fe₃C_K;

LD – линия химического соединения Fe₃C (цементита);

MО – линия магнитного превращения феррита.

Физический смысл точек диаграммы:

A – температура плавления (кристаллизации) чистого железа;

С – эвтектическая точка;

D – температура плавления (кристаллизации) цементита;

N и G – температура полиморфных превращений железа;

H – точка предельной растворимости углерода в дельта-железе;

E – точка предельной растворимости в гамма-железе;

S – эвтектоидная точка;

P и Q – точки предельной растворимости углерода в альфа-железе.

Критические точки, соответствующие наиболее важным фазовым превращениям, а также температуры магнитных превращений условились обозначать буквой «А» с индексами:

А₀ – точки на линии 210 °С или точка Кюри цементита;

А₁ – точки на линии PSK (727 °С) или температура эвтектоидного превращения – нижняя критическаяточка сталей и чугунов;

А₂ - точки на линии МО (768 °С) или точка Кюри железа;

А₃ – точки на линии GS или температура начала полиморфного превращения g ® a при охлаждении (или конца превращения a ® g при нагреве) – верхние критические точки доэвтектоидных сталей;

А _cm (читается «цэ – эм») – точки на линии ES или температура начала выделения цементита из аустенита при охлаждении (или конца растворения цементита в аустените при нагреве) – верхние критические точки заэвтектоидных сталей;

А₄ – точки на линии NJ или температура конца полиморфного превращения d ® g при охлаждении (или конца превращения g ® d при нагреве).

Если критическая точка определена в процессе охлаждения, ставят дополнительно индекс «r» (А_r1, А_r3); если критическая точка определена в процессе нагревания, ставят индекс «с» (А_с1, А_с3). Эти дополнительные индексы необходимы потому, что имеет место гистерезис – запаздывание фазовых превращений, вследствие чего точки при нагреве и охлаждении не совпадают.

Координаты точек диаграммы Fe – Fe₃C приведены в табл. 1.

 

3.3. Классификация сплавов системы Fe – Fe₃C

 

Все сплавы железа с углеродом подразделяются на две группы – стали и чугуны. СТАЛИ – сплавы железа с углеродом в интервале от 0,025 до 2,14 %. ЧУГУНЫ – сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С. На диаграмме границей между сталью и чугуном является точка Е.

Таблица 1.

Координаты точек диаграммы Fe – Fe₃C

 

Обозначение точки	Содержание углерода, %	Температура, °С
A
B	0,51
C	4,3
D	6,67
H	0,1
J	0,16
E	2,14
F	6,67
N
G
P	0,025
S	0,8
K	6,67
Q	0,008
L	6,67
M

 

Как видно из диаграммы, сталями являются сплавы, которые выше линии GSE являются однофазными; в таком состоянии они обладают высокой пластичностью, хорошо деформируются.

Чугунами являются сплавы, в которых при кристаллизации протекает эвтектическое превращение и образуется эвтектика. Поэтому они менее пластичны, но обладают хорошими литейными свойствами.

Чугуны бывают белые и серые. БЕЛЫЙ ЧУГУН – чугун, в котором при кристаллизации образуется аустенитно-цементитная эвтектика А + Fe₃C. Фазовое равновесие в этих сплавах описывается метастабильной диаграммой. СЕРЫЙ ЧУГУН – чугун, в котором образуется аустенитно-графитная эвтектика А + С_ГР. Фазовое равновесие в этих сплавах описывается стабильной диаграммой (см. раздел 5).

В пределах каждой группы сплавов существует своя классификация.

Стали подразделяют на три группы:

доэвтектоидная сталь – сплавы, содержащие от 0,025 до 0,8 %С;

эвтектоидная сталь – сплавы с 0,8 % С;

заэвтектоидная сталь – сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14 %С.

Сплавы, содержащие углерода менее 0,025 %С называют техническим железом.

Белые чугуны также подразделяются на три группы:

доэвтектический белый чугун – сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %;

эвтектический белый чугун – сплав, содержащий 4,3 % С;

заэвтектический белый чугун – сплавы, с содержанием углерода более 4,3 и до 6,67 % С.

 

4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛЕЙ И БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИХ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

 

При рассмотрении кристаллизации какого-либо сплава необходимо провести из точки, отвечающей составу сплава, вертикаль до области жидкой фазы, обозначить все точки пересечения вертикали с линиями диаграммы, т.е. критические точки сплава, и, зная фазовые превращения в соответствующих точках, рассмотреть формирование микроструктуры сплава.

 

4.1. Кристаллизация и формирование микроструктуры сталей

 

Кристаллизацию и фазовые превращения в твердом состоянии рассмотрим на примере трех сталей – доэвтектоидной, заэвтектоидной и эвтектоидной.

 

4.1.1. Доэвтектоидная сталь

 

Рассмотрим превращение в доэвтектоидной стали, содержащей 0,16 % С (рис. 4, сплав I). Из диаграммы и кривой охлаждения следует, что сплав I имеет четыре критические точки: т.1 – точка ликвидуса; т.J – точка солидуса или точка перитектического превращения; т.2 – температура начала полиморфного превращения g ® a; т.3 – точка эвтектоидного превращения.

 

Рис. 4. Кривая охлаждения, схема кристаллизации и формирования микроструктуры

доэвтектоидной стали с 0,16 % С (сплав I)

 

Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с появлением кристаллов d-феррита состава т.4. В интервале между точками 1 – J продолжается образование и рост кристаллов d-феррита, состав которых меняется от т.4 до т.H. Одновременно с этим меняется состав жидкости от т.1 до т.В. Это можно записать следующим образом:

Ж_1-B + ® d-Ф_4-H.

В т.J произойдет перитектическое превращение:

Ж_B + d-Ф_H ® А_J,

в результате которого возникнет новая твердая фаза – аустенит (см. рис. 4, горизонтальный участок J – J’ на кривой охлаждения).

От т.J до т.2 – охлаждение сплава (аустенита).

В т.2 по границам зерен аустенита начинается образование новой твердой фазы – феррита, состав которого определяется т.5 (т.е. происходит полиморфное g ® a превращение), которое продолжается в интервале температур 2-3. В этом интервале температур происходит рост кристаллов феррита, при этом его состав меняется от т.5 до т.Р, а состав аустенита изменяется от т.2 до т.S:

Ж_5-Р ® А_2-S.

В т.3 произойдет эвтектоидное превращение аустенита по реакции:

А_S ® Ф_Р + Fe₃C_K,

в результате чего образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлит. Образованию перлита отвечает горизонтальныйучасток 3-3’ на кривой охлаждения, т. к. превращение идет при постоянной температуре.

При охлаждении от т.3 до комнатной температуры вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите (в соответствии с линией PQ) выделяется небольшое количество третичного цементита, но в структуре он обычно не обнаруживается, т.к. объединяется с цементитом перлита.

Таким образом, в структуре сплава с 0,16 % С ниже т.3 и при комнатной температуре присутствуют две структурные составляющие: феррит и перлит.

Количество феррита и перлита можно определить по правилу рычага. Так, в сплаве I количество феррита Q_Ф и перлита Q_П соответственно составит:

Q_Ф = (3S / PS) · 100 % = (0,8 – 0,16)/0,8 · 100 % = 80 %;

Q_П = Q_А = (P3 / PS) · 100 % = (0,16 /0,8) · 100 % = 20 %

Изменение фазового состава и формирование микроструктуры доэвтектоидной стали с 0,16 % С показано на рис. 4. схемами рядом с кривой охлаждения.

4.1.2. Эвтектоидная сталь (0,8 %С)

 

На диаграмме рис. 4 этот сплав обозначен как сплав II. Он имеет три критические точки:

т.6 – точка ликвидуса или температура начала кристаллизации; начало образование зародышей кристаллов аустенита;

т.7 – точка солидуса или температура конца кристаллизации аустенита; ниже т.7 сплав состоит из зерен аустенита (так же, как на участке J – 2 в сплаве I);

т.S – температура эвтектоидного превращения аустенита в перлит; при этом эвтектоидные колонии феррито-цементитной смеси образуются по границам зерен аустенита, постепенно заполняя весь объем.

Ниже т.S структура эвтектоидной стали будет состоять из одной структурной составляющей – перлита (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Схема микроструктуры эвтектоидной стали

(состоит из колоний перлита)

 

4.1.3. Заэвтектоидная сталь

 

Превращения при кристаллизации и в твердом состоянии рассмотрим на примере стали с 1,2 % С (сплав III на рис. 4). Сплав имеет четыре критические точки, которым соответствуют следующие превращения:

т.8 – начало кристаллизации аустенита из жидкой фазы;

т.9 – конец кристаллизации аустенита;

т.10 – начало выделения цементита из аустенита;

т.11 – температура эвтектоидного превращения.

Выше т.8 сплав находится в жидком состоянии. В т.8 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с образованием кристаллов аустенита состава т.8. В интервале температур от т.8 до т.9 количество аустенита увеличивается, состав его изменяется по линии солидуса от т.12 до т.9. Одновременно с этим изменяется и состав жидкой фазы от т.8 до т.13. В т.9 кристаллизация сплава заканчивается, и структура его будет состоять из одной фазы – аустенита (рис. 6, а).

Если кристаллизация происходит в равновесных условиях, т.е. при очень медленном охлаждении, то состав аустенита будет одинаковым в любой точке кристалла и будет соответствовать составу сплава. При непрерывной кристаллизации при ускоренном охлаждении в кристаллах аустенита может возникнуть химическая неоднородность, т.е. внутрикристаллическая ликвация. В результате внутренние объемы кристаллов аустенита будут иметь пониженное содержание углерода, близкое к составу т.12, а наружные – повышенное содержание углерода, вплоть до т.Е. Из последних объемов жидкой фазы возможно даже образование неравновесной эвтектики [5].

а б в

 

Рис. 6. Схема формирования микроструктуры заэвтектоидной стали с 1,2 % С: а – аустенит (структура в интервале температур от т.9 до т.10); б – аустенит и вторичный цементит (структура в интервале температур от т.10 до т. 11); в – перлит и вторичный цементит (структура ниже т.11)

 

В интервале между т.9 и т.10 происходит охлаждение аустенита.

В точке т.10 из аустенита начинается выделение цементита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры в соответствии с линией ES, которое продолжатся в интервале т.10 – т.11. Этот цементит, выделяющийся из аустенита, называют вторичным. Он выделяется в виде оболочки (сетки) вокруг зерен аустенита (рис. 6, б), а при ускоренном охлаждении – также внутри зерен в виде пластин (игл). По мере выделения цементита состав аустенита изменяется от т.10 до т.S.

В т.11 (при температуре 727 ⁰С) произойдет эвтектоидное превращение аустенита в перлит по реакции

А_S ® Ф_P + Fe₃C_K.

Окончательная структура рассматриваемого сплава ниже т.11 будет состоять из перлита и вторичного цементита (рис. 6, в).

Относительное количество структурных составляющих, в соответствии с правилом рычага, будет следующим:

 

Q_П = Q_А = (11K/ SK)·100 % = ((6,67 – 1,2) / (6,67 – 0,8)·100 % = 93 %;

 

Q_ЦII = (11S / SK)·100 % = (1,2 – 0,8) / (6,67 – 0,8)·100 % = 7 %.

 

4.2. Кристаллизация и микроструктура белых чугунов

 

Кристаллизацию и превращения в твердом состоянии в белых чугунах рассмотрим по метастабильной диаграмме на примере трех сплавов: доэвтектического, эвтектического и заэвтектического.

 

4.2.1. Доэвтектический белый чугун

 

Рассмотрим сплав с 3 % С (сплав I на рис. 7). Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с образованием кристаллов аустенита состава т.а.

При охлаждении от т.1 до т.2 увеличивается количество аустенита в сплаве, а состав его при этом меняется от т.а до т.E. Соответственно, уменьшается количество жидкой фазы и изменяется ее состав от т.1 до т.С. Например, в т.4 состав аустенита определяется т.b, а состав жидкой фазы – т.d (точнее – проекциями точек b и d на ось концентраций). Относительные количества фаз в т.4 по правилу рычага равны:

Q_А = (4d / bd) · 100 %; Q_Ж = (b4 / bd) · 100 %.

В т.2 произойдет эвтектическое превращение оставшейся жидкости с образованием эвтектики:

Ж_C ® А_E+ Fe₃C_F.

 

Рис. 7. Диаграмма Fe – Fe₃C, кривая охлаждения сплава с 3 %C и схема формирования микроструктуры белого доэвтектического чугуна.

 

Эвтектическую смесь аустенита и цементита называют ледебуритом. Его количество будет таким же, каким было количество жидкой фазы в т.2:

 

Q_Л = Q_Ж = (Е2 / ЕС) · 100 %.

 

После окончания кристаллизации структура этого сплава состоит из аустенита и ледебурита (рис. 7). В интервале от т.2 до т.3 происходит выделение из аустенита вторичного цементита, поскольку в этом интервале температур уменьшается растворимость углерода в аустените. Состав аустенита в этом интервале изменяется от т.E до т.S. В т.3 происходит эвтектоидное превращение всего аустенита, как первичного, так и входящего в эвтектику. В результате этого превращения весь аустенит переходит в перлит.

Ниже т.3 структура сплава состоит из перлита, сохранившего форму дендритов первичного аустенита, вторичного цементита и ледебурита, состоящего уже из перлита и цементита (рис. 7). Эта структура остается без изменения до комнатной температуры.

Все другие доэвтектические белые чугуны будут иметь аналогичную структуру, но с другим соотношением перлита и ледебурита.

 

4.2.2. Белый эвтектический чугун

 

Это сплав, в котором содержится 4,3 % C (сплав II на рис. 7). Кристаллизация сплава начнется и закончится при одной и той же температуре, соответствующей т.C, т.е. 1147 °С. Эвтектическое превращение по реакции

Ж_C ® А_E+ Fe₃C_F

приводит к образованию эвтектики – ледебурита (который может получиться пластиночным или сотовым [6, 7]). На рис. 8 показана схема строения пластиночного ледебурита.

От температуры 1147 °С (т.C) до 727 °С (т.5) состав аустенита меняется по линии ES и содержание углерода в нем уменьшается от 2,14 до 0,8 %. При этом выделяется вторичный цементит, но структурно свободным его можно и не обнаружить, т.к. он сливается с эвтектическим цементитом. Общее количество цементита в сплаве увеличивается.

В т.5 аустенит превратится в перлит, и после этого эвтектика (ледебурит) уже будет состоять из перлита и цементита (рис. 8, б). Такой будет структура и при комнатной температуре.

 

а б

Рис. 8. Схема микроструктуры белого эвтектического чугуна: а – ледебурит после кристаллизации (ниже т.С); б – ледебурит при комнатной температуре (ниже т.5)

 

4.2.3. Белый заэвтектический чугун

 

Рассмотрим сплав с 4,7 % С (сплав III на рис. 7).

В т.6 начинается кристаллизация сплава путем образования кристаллов первичного цементита (рис. 9, а). В интервале т.6 – т.7, вследствие выделения цементита, жидкая фаза обедняется углеродом, и состав изменяется по линии DC от т.6 до т.С.

В т.7 происходит эвтектическое превращение оставшейся жидкости и образование ледебурита по реакции

Ж_C ® А_E+ Fe₃C_F.

 

а б в

 

Рис. 9. Схема формирования микроструктуры белого заэвтектического чугуна

 

В интервале температур т.7 – т.8 аустенит ледебурита обедняется углеродом в соответствии с линией ES; при этом выделяется вторичный цементит, который присоединяется к уже имеющемуся цементиту и структурно-свободным не обнаруживается.

В т.8 происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием перлита, что показано штрихованием кристаллов бывшего аустенита на рис. 9, в.

Как показывает диаграмма Fe – Fe₃C и рассмотренная схема, структурными составляющими этого сплава будут первичный цементит и ледебурит.

 

4.3. Характеристика структурных составляющих и структурная диаграмма сталей и белых чугунов

 

Подведем итоги рассмотренным выше фазовым превращениям в сталях и белых чугунах. Хотя все они привели к образованию в этих сплавах при комнатной температуре двух фаз – феррита и цементита, но, вследствие различных условий образования, количества и расположения этих фаз в разных сплавах получилась и разная структура. Структурными составляющими сталей и белых чугунов являются:

1. Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе.

2. Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе. Имеет вид светлых зерен или светлой сетки.

3. Цементит первичный – карбид железа Fe₃C, первым кристаллизующийся из жидкой фазы в заэвтектических чугунах. Имеет вид светлых пластин.

4. Цементит вторичный – карбид железа Fe₃C,выделившийся из аустенита в сплавах, содержащих более 0,8 % С. Под микроскопом имеет вид светлой сетки, расположенной по границам зерен аустенита (перлита).

5. Цементит третичный – карбид железа Fe₃C, выделяющийся из феррита в сплавах, содержащих более 0,008 % С. Структурно обнаруживается в техническом железе или низкоуглеродистых сталях в виде светлых включений по границам зерен феррита.

6. Ледебурит – эвтектика, состоящая при температурах выше 727°С из аустенита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита и цементита. Имеет вид пестрой составляющей и присутствует во всех белых чугунах. Содержит 4,3 % С.

7. Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Содержит 0,8 % С и имеет вид темной составляющей пластинчатого или зернистого строения.

Присутствие тех или иных структурных составляющих в разных сплавах показывают на диаграмме Fe – Fe₃C («железо-цементит») и получают так называемую структурную диаграмму. Ее вид изображен на рис.10.

Как видно на структурной диаграмме, по мере увеличения содержания углерода микроструктура сплавов системы Fe-Fe₃C изменяется следующим образом:

техническое железо (С < 0,025 %) – феррит или феррит и третичный цементит;

– доэвтектоидная сталь – феррит и перлит;

– эвтектоидная сталь – перлит;

– заэвтектоидная сталь – перлит и вторичный цементит;

– доэвтектический белый чугун – перлит, ледебурит и вторичный цементит;

– эвтектический белый чугун – ледебурит;

– заэвтектический белый чугун – первичный цементит и ледебурит.

 

5. Диаграмма стабильного фазового равновесия системы Fe – C_гр (диаграмма «железо – графит»)

 

При достижении стабильного фазового равновесия, которое наступает в условиях очень медленного охлаждения, высокоуглеродистая фаза всегда выделяется в виде графита. Внешний вид диаграммы стабильного фазового равновесия отличается от вида диаграммы Fe – Fe₃C несколько иным расположением линий выделения графита: они расположены выше и левее, чем соответствующие линии выделения Fe₃C диаграммы Fe – Fe₃C. Эти линии обозначают пунктиром, а соответствующие буквы – со знаком «штрих». Остальные линии совпадают с линиями диаграммы Fe – Fe₃C. Вид стабильной диаграммы Fe – C_гр показан на рис. 11, а координаты новых точек – в табл. 2.

Линии фазовых превращений:

C’D’ – начало кристаллизации графита из расплава;

E’C’F’– линия эвтектического превращения;

Ж_C’ ® A_E’ + C_ГР;

E’S’- начало выделения графита из аустенита;

P’S’K’- линия эвтектоидного превращения

А_S’ ® Ф_P’ + C_ГР;

P’Q’ – начало выделения графита из феррита.

В реальных условиях кристаллизация сплавов и превращения в них в твердом состоянии могут протекать частично в соответствии со стабильной, частично – метастабильной диаграммами. Поэтому диаграммы стабильного и метастабильного равновесия обычно не разделяют, а изображают на одном рисунке.

 

Рис. 10. Структурная диаграмма сплавов системы Fe – Fe₃C

 

Две совмещенные диаграммы называют диаграммой с двойными линиями. Ее вид и показан на рис. 11. Этой диаграммой пользуются при рассмотрении кристаллизации серых чугунов, получении ковких чугунов и графитизированной стали.

 

 

Рис. 11. Диаграмма «железо – углерод» с двойными линиями

 

 

Таблица 2

Координаты новых точек диаграммы Fe – C_гр

 

Наименование точки	E’	C’	D’	F’	P’	S’	K’	Q’
Содержание углерода, %	2,03	4,25			0,02	0,69		0,006
Температура, °С

6. Кристаллизация серых чугунов и превращения в них в твердом состоянии

 

Серыми чугунами называют чугуны, в которых весь углерод или часть углерода присутствует в структурно-свободном состоянии, т.е. в виде графита. В структуре этих сплавов ледебурит отсутствует. Название «серые» чугуны получили из-за присутствия графита, вследствие чего они имеют серый излом.

Чугуны, в которых наряду с графитом присутствует ледебурит, называют половинчатыми.

Графит может образоваться как при кристаллизации, так и после специальной термической обработки белого чугуна – графитизизующего отжига.

Условия образования графита характеризует диаграмма с двойными линиями (рис. 11). Она показывает, что кристаллизация графита при эвтектическом превращении может происходить, если жидкая фаза переохлаждена ниже 1153 °С. В интервале 1147 – 1153 °С эвтектическая кристаллизация будет протекать с образованием графита по реакции:

Ж_C’ ® A_{E ’} + C_ГР.

Это достигается очень медленным охлаждением. Если расплав переохладить ниже 1147 °С, возможно образование как графита, так и цементита, но кристаллизация графита часто задерживается [8].

Эвтектоидное превращение при переохлаждении аустенита ниже линии P’S’K’ протекает по реакции:

А_S’ ® Ф_P’ + C_ГР,

а ниже линии PSK – по реакции:

А_S ® Ф_P + Fe₃C_К.

Первая реакция происходит в условиях очень медленного охлаждения и приводит к получению ферритографитной структуры, вторая – при ускоренном охлаждении и приводит к получению перлитографитной структуры. При некоторых промежуточных скоростях охлаждения возможно протекание обеих реакций эвтектоидного превращения с образованием ферритоперлитографитной структуры.

На образование графита и цементита оказывают влияние примеси и элементы, специально вводимые в чугун. Такие элементы, как кремний, алюминий, никель способствуют выделению углерода в виде графита и кристаллизации чугуна серым. Хром, марганец, сера и некоторые другие – затрудняют выделение графита и способствуют кристаллизации чугуна белым.

Рассмотрим кристаллизацию и формирование структуры серого чугуна с 3 % С. Это – сплав I на рис.12. Сплав имеет три критические точки:

 

Рис. 12. Диаграмма Fe-C_ГР и критические точки сплава I (3 % С)

 

т.1’ – начало кристаллизации, образование кристаллов аустенита;

т.2’ – эвтектическое превращение оставшейся жидкой фазы в аустенит и графит с образованием аустенитографитной эвтектики (рис. 13, а); в интервале т.2’ – т.3’ – происходит выделение вторичного графита из аустенита в соответствии с линией E’S’;

т.3’ – эвтектоидное превращение аустенита в ферритографитную смесь, в результате чего окончательная структура чугуна становится ферритографитной (рис. 13, б).

Эвтектоидный и вторичный графиты часто объединяются с эвтектическим и в структуре не обнаруживаются.

Если критический интервал температур 738 – 727 °С пройти более быстро, аустенит превратится в перлит, в результате чего получится перлитографитная структура (рис.13, в). При умеренных скоростях охлаждения образуется перлитоферритографитная структура (рис. 13, г).

 

 

Рис. 13. Структура серого чугуна при различных температурах и условия охлаждения

 

Таким образом, по строению металлической основы, которая формируется из аустенита, серые чугуны могут быть трех типов:

ферритный серый чугун (Ф + Гр);

перлитный серый чугун (П + Гр);

перлитоферритный серый чугун (П + Ф + Гр).

 

7. Методические указания к вычерчиванию диаграммы системы «железо-углерод»

 

Поскольку диаграмма «железо-углерод» является основой для изучения всех черных металлов – сталей и чугунов, каждый студент должен знать эту диаграмму наизусть: уметь вычертить диаграмму, помнить буквенные обозначения всех точек и их координаты, знать все линии фазовых превращений, уметь пользоваться диаграммой при рассмотрении превращений в сплавах и формировании их микроструктуры.

Ниже рекомендуются приемы быстрого и правильного вычерчивания диаграммы.

1. Начертить координатные оси (рис. 14). Ось абсцисс разбить на 7 равных частей, и обозначить на ней содержание углерода от 0 до 6 %. Ось ординат разбить на 16 равных частей и обозначить на ней температуру от 0 до 1500 °С.

 

Рис. 14. Координатные оси диаграммы Fe-Fe₃C

2. Обозначить на оси температур критические точки железа:

1539 °С – температура плавления железа (т. А);

1392 °C – температура полиморфного превращения d-Fe ® g-Fe (т. N);

911 °С – температура полиморфного превращения g-Fe ®a-Fe (т. G), области существования разных модификаций показать фигурными скобками (см. рис. 14);

3. На оси концентраций найти точку 6,67 % С (т. L) и из не провести вертикаль LD до 1260 °С (т. D), отвечающую соединению Fe₃C. Обозначить область существования фазы Fe₃ C стрелкой (см. рис. 14).

4. Найти в левой части поля диаграммы точки предельной растворимости углерода в разных модификациях железа (рис. 15):

т. Н – 0,1 % С; 1499 °С;

т. Е – 2,14 % С; 1147 °С;

т. Р – 0,025 % С; 727 °C;

т. Q – 0,008 % С; 20 °C.

От этих точек провести горизонтальные линии:

НВ (т. В – 0,51 % С);

EF (т. F – 6,67 % С);

РК (т. К – 6,67 % С).

 

Рис. 15. Координатные оси, точки предельной растворимости и три горизонтали трехфазных равновесий диаграммы Fe-Fe₃C

 

5. Найти на трех горизонтальны линиях критические точки трехфазного равновесия:

т. J – 0,16 % С, 1499 °С;

т. С – 4,3 % С; 1147 °С;

т. S – 0,8 % С, 727 °С (см. рис.15).

6. Обвести области существования трех твердых растворов (рис. 16):

 

Рис. 16. Области трех твердых растворов на диаграмме Fe – Fe₃C

 

AHN – область дельта-твердого раствора или d-феррита;

NJESG – область гамма-твердого раствора или аустенита;

GPQ – область альфа-твердого раствора или a-феррита (феррита).

Указать в этих областях условные буквенные обозначения фаз:

d (или d-Ф), g (или А), a (или Ф).

7. Соединить верхние точки диаграммы и получить линию ликвидус ABCD (рис. 17). Над ней указать область жидкой фазы (Ж). Пользуясь правилом рычага, расставить фазы в двухфазных областях диаграммы, помня о том, что в них находятся в равновесии те фазы, области которых соседствуют с этой двухфазной областью.

 

Рис. 17. Диаграмма фазового равновесия системы Fe – Fe₃

 

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Изобразите совмещенную диаграмму системы «железо-углерод» (диаграмму с двойными линиями), расставьте фазы и опишите фазовые превращения в этой системе.

2. Изобразите структурную диаграмму системы Fe – Fe₃С и опишите формирование микроструктуры эвтектоидной стали и белого эвтектического чугуна.

3. По структурной диаграмме системы Fe – Fe₃С опишите формирование микроструктуры доэвтектоидной стали и белого доэвтектического чугуна.

4. С помощью структурной диаграммы системы Fe – Fe₃С опишите формирование микроструктуры заэвтектоидной стали и белого заэвтектического чугуна.

5. По диаграмме Fe – C с двойными линиями и опишите формирование микроструктуры серого чугуна эвтектического состава.

6. Определите на диаграмме Fe – Fe₃С с помощью правила рычага относительное количество фаз и структурных составляющих в сплавах с 0,4 %С и 3,4 %С при комнатной температуре.

7. Используя правило фаз (C = K – f + 1), начертите кривые охлаждения сплавов с 0,2 %С и 1,2 %С и объясните, какие фазовые превращения протекают в точках перегиба кривой.

8. Дайте определение всем структурным составляющим сплавов железа с углеродом и изобразите схематически их вид.

9. Дайте характеристику всем линиям и точкам диаграммы «железо-углерод».

10. Дайте классификацию сплавов железа с углеродом.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Тыркель Е. История развития диаграммы «железо-углерод». М.: Машиностроение, 1968.

2. Хансен М., Андерко К. Строение бинарных сплавов: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1962.

3. Грачев С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Екатеринбург: Изд-во Уральского технического ун-та, 2001.

4. Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. М.: Наука, 1969.

5. Новиков И.И., Золотаревский В.С. Дендритная ликвация в сплавах. М.: Наука, 1966.

6. Бунин К.П., Иванцов Г.И., Малиночка Я.Н. Структура чугуна. М.: Л.: Машгиз, 1952.

7. Бунин К.П., Малиночка Я.Н, Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969.

8. Бунин К.П., Таран Ю.Н. Строение чугуна. М.: Металлургия, 1972.

 

Лабораторная работа № 2

 

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА МИКРОСТРУКТУРУ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Углеродистая сталь находит самое широкое применение. Из нее изготовляют различные строительные конструкции, детали машин, инструмент. Такое разнообразное применение стали обусловлено широким диапазоном ее свойств, которые в первую очередь определяются содержанием углерода, изменяющим ее микроструктуру.

Формирование микроструктуры углеродистой стали в условиях медленного охлаждения рассмотрено при изучении диаграммы состояния сплавов системы «железо-углерод».

Цель настоящей работы – практическое изучение микроструктуры углеродистой стали с различным содержанием углерода, полученной в условиях медленного охлаждения, а также некоторых особенностей микроструктуры, образовавшихся в реальных условиях обработки.

 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ

СОСТАВЛЯЮЩИХ СТАЛИ

 

Углеродистой сталью называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 0,025 до 2,14 % [1]. Эти сплавы располагаются в интервале концентраций от точки P до точки Е на диаграмме Fe – Fe₃С (см. рис. 10).

По содержанию углерода сталь подразделяется на доэвтектоидную (С = 0,025 – 0,8 %), эвтектоидную (С = 0,8 %), заэвтектоидную (С от 0,8 до 2,14 %).

При комнатной температуре все стали состоят из двух фаз – феррита и цементита. Однако в сталях с разным содержанием углерода эти фазы образуются из аустенита при разных условиях и при микроструктурном исследовании их определенное взаиморасположение дает так называемые структурные составляющие; структурно-свободный феррит, перлит, структурно-свободный цементит.

Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе. Максимальная растворимость углерода в феррите при 727 ºС составляет примерно 0,03 % и с понижением температуры уменьшается до тысячных долей процента. Феррит имеет невысокую твердость (НВ = 800-1000 МПа) и высокую пластичность. Под микроскопом наблюдается в виде светлых зерен неправильной, преимущественно округлой формы с тонкими темными границами. Окраска зерен может быть неоднородной: одни выглядят более светлыми, другие – более темными. Это объясняется различной кристаллографической ориентировкой зерен в плоскости шлифа, в результате чего они по-разному травятся.

На рис. 18 показан вид феррита под оптическим микроскопом.

 

Рис. 18. Микроструктура феррита: светлые (белые) зерна разных оттенков (стрелкой указан вторичный цементит)

 

Цементит – химическое соединение, по составу соответствующее формуле Fe₃C. Это – карбид железа, который имеет высокую твердость (НV = 8000 МПа) и малую пластичность. После обычного травления микрошлифа цементит, как и феррит, имеет под микроскопом вид светлых участков. Но цементит растворяется в кислоте слабее, чем феррит, и поэтому он всегда возвышается над окружающим ферритом. Кроме того, поверхность цементитных участков обычно остается гладкой и блестящей даже при сильном травлении, в то время как ферритные участки сильно разъедаются кислотой, становятся шероховатыми и частично окрашиваются.

Условия образования цементита описывает диаграмма Fe – Fe₃C (см. рис. 3). В сталях может быть три структурных вида цементита: вторичный цементит – выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях в соответствии с линией SE, имеет вид светлой сетки; эвтектоидный цементит – образуется при эвтектоидном превращении и входит в состав перлита; третичный цементит – выделяется из феррита в соответствии с линией PQ, и его можно обнаружить вместе с ферритом в виде светлых включений по границам ферритных зерен (рис. 18).

Перлит – ферритокарбидная смесь, состоящая из последовательно чередующихся пластинок феррита и цементита. В этой смеси феррита в 7 раз больше, чем цементита, поэтому ширина пластинок феррита примерно в семь раз больше ширины пластинок цементита. Межпластиночное расстояние может быть разным в зависимости от скорости охлаждения. В связи с этим по степени дисперсности ферритокарбидной смеси различают грубопластинчатый, среднепластинчатый и тонкопластинчатый перлит. Под микроскопом он имеет разные оттенки.

На рис. 19, а показана структура пластинчатого перлита. Более равновесной структурой является зернистый перлит, в котором цементит имеет форму округлых зернышек (рис. 19, б). Он получается при очень медленном охлаждении и выдержке в субкритическом интервале температур. Для получения зернистого перлита необходимо нагреть сталь чуть выше А₁ (760-780 °С), дать выдержку при этой температуре, а затем медленно охладить со скоростью 30-40 град/час до температуры 600 °С.

 

а б

Рис. 19. Микроструктура перлита: а – перлит пластинчатый; б – зернистый перлит

 

При нагреве чуть выше А_с1, получается негомогенный аустенит, в котором остается большое число нерастворенных частиц цементита – центров кристаллизации. При последующем медленном охлаждении такого аустенита образуется перлит с зернистой формой цементита.

Зернистый перлит можно получить путем длительной выдержки пластинчатого перлита при субкритических температурах за счет сфероидизации пластинок цементита.

 

2. МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

 

Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Основой для определения микроструктуры сталей в равновесном состоянии является диаграмма «железо-углерод». Согласно этой диаграмме, в сплавах с содержанием углерода менее 0,008 % структура состоит из феррита, при содержании углерода от 0,008 до 0,025 % – из феррита и третичного цементита. Сплав с таким содержанием углерода называют техническим железом или армко-железом.

В структуре сплавов, содержащих углерода более 0,025 %, наряду с ферритом появляется перлит. Структура любой доэвтектоидной стали состоит из перлита и феррита, но соотношение этих составляющих меняется в зависимости от содержания углерода: чем больше в стали углерода, тем больше в ее структуре перлита. Это иллюстрирует рис. 20.

 

а б в

Рис. 20. Микроструктура доэвтектоидной стали: а – 0,2 % С; б – 0,4 % С; в – 0,6 % С. Светлые зерна – феррит; темные – перлит

 

По количеству феррита и перлита в структуре доэвтектоидной стали, находящейся в равновесном (отожженном) состоянии, можно ориентировочно определить среднее содержание углерода. Для этого достаточно определить относительное количество перлита на площади шлифа.

Содержание углерода в стали определяется по формуле

% С = 0,8·П,

где П – площадь, занятая перлитом (в долях единицы);

0,8 – содержание углерода в перлите, %.

(Примечание: содержанием углерода в феррите пренебрегаем).

Микроструктура эвтектоидной стали состоит из одного перлита (см. рис. 19). В структуре заэвтектоидных сталей наряду с перлитом появляется вторичный цементит, который в медленно охлажденной стали имеет вид светлой сетки, расположенной по границам бывших зерен аустенита (рис. 21).

 

Рис. 21. Микроструктура заэвтектоидной стали: темные зерна – пластинчатый перлит, светлая сетка – вторичный цементит.

 

3. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ

РЕАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

 

Микроструктура реальных изделий из углеродистой стали – отливок, прокатных заготовок, поковок, штамповок или готовых деталей – может не всегда отвечать той, какая получается в равновесных условиях при охлаждении из аустенитного состояния. На нее влияют исходное состояние аустенита, из которого формируется микроструктура любой углеродистой стали, скорость охлаждения в интервале критических температур, условия горячей деформации, специальная обработка.

Наиболее часто встречающимися отклонениями от равновесной структуры являются строчечная структура и видманштеттовая.

 

3.1. Строчечная структура доэвтектоидной стали

 

Так называют структуру, в которой феррит и перлит располагаются в виде чередующихся строчек или полос (рис. 22). Основной причиной появления строчечности является горячая прокатка металла в двухфазной области, т.е. в интервале температур А_r3 – А_r1. Прокатка в таком температурном интервале приводит к вытягиванию зерен феррита и аустенита вдоль направления прокатки. При последующем охлаждении вытянутые зерна аустенита перейдут в перлит, образуя строчки, а между ними окажутся зерна рекристализованного феррита.

 

Рис. 22. Строчечная структура доэвтектоидной стали: феррит (светлый) и перлит (темный) в виде строчек.

 

Строчечная структура может быть вызвана наличием неметаллических включений, вытягивающихся при прокатке вдоль направления прокатки. В этом случае при последующем охлаждении доэвтектоидной стали в интервале температур А_r3 – А_r1 выделение феррита происходит возле неметаллических включений, и поэтому он тоже оказывается вытянутым вдоль направления прокатки.

Третьей причиной образования строчечной или полосчатой структуры может явиться ликвация примесей, особенно кремния [2].

Строчечная структура чаще всего наблюдается в листовой горячекатаной стали. Она создает неоднородные механические свойства вдоль и поперек направления прокатки, ухудшает обрабатываемость стали резанием и вызывает массовый брак при холодной штамповке. Особенно вредна строчечность, связанная с неметаллическими включениями и ликвацией, т.к. она является неустранимым браком прокатанной стали.

Строчечность, вызванную прокаткой стали при пониженных температурах, можно устранить термической обработкой – отжигом или нормализацией.

 

 

3.2. Видманштеттовая структура стали

 

Видманштеттовой называют структуру с иглообразными (пластинчатыми) формами избыточных структурных составляющих: феррита – в доэвтектоидной стали и вторичного цементита – в заэвтектоидной стали (рис. 23). Название она получила от имени немецкого ученого Видманштеттена, обнаружившего такую структуру в метеоритном железе.

 

а б

Рис. 23. Видманштеттовая структура в доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) стали.

 

Причиной образования видманштеттовой структуры является выделение избыточных фаз не по границам зерен, как это имеет место в равновесных условиях, а по определенным кристаллографическим плоскостям внутри зерен аустенита в форме игл или пластин. Такое явление имеет место в гомогенном крупнозернистом аустените при его ускоренном охлаждении на 60-80 °С ниже А_с3 или А _сm.

Видманштеттовая структура характерна для литых и перегретых сталей, а также для сварных швов. Она является нежелательной, т.к. снижает пластичность и вязкость. Исправить структуру таких сталей и изделий можно отжигом или нормализацией.

 

3.3. Структура графитизированной стали

 

Графитизированной называют эвтектоидную сталь, в которой часть углерода находится в виде графита. Графит получается за счет частичного разложения вторичного цементита при графитизирующем отжиге по режимам, аналогичным отжигу ковкого чугуна, поэтому графитизирующиеся стали должны иметь высокое содержание углерода и кремния, который повышает способность к графитизации. В отожженном состоянии микроструктура графитизированной стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых (точечных) графитных включений. Графит, обладающий свойствами смазки, предотвращает сухое трение и схватывание и сообщает стали износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства и способность к поглощению вибраций. Графитизированную сталь применяют вместо бронзы для изготовления вкладышей подшипников скольжения, а также других деталей, работающих на износ.

 

4. ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

При выполнении работы необходимо:

1. Повторить диаграмму Fe – Fe₃C.

2. Изучить коллекцию микрошлифов стали, характеристика которых приведена в табл. 3, и зарисовать типичные структуры.

3. Научиться определять содержание углерода по микроструктуре.

Методическое указание 1. К выполнению работы допускаются студенты, изучившие диаграмму «железо-углерод». Изучение микроструктур стали производится путем рассматривания заранее приготовленных шлифов под микроскопом и зарисовки этих структур (карандашом) с указанием стрелками всех структурных составляющих. При этом по ранее описанным признакам необходимо научиться различать феррит и структурно-свободный цементит.

Методическое указание 2. Определение содержания углерода по микроструктуре производится на одном из шлифов доэвтектоидной стали. Визуально или с помощью окуляр-микрометра (окуляр 7^х) определяется площадь, занятая перлитом, и по формуле, указанной в п. 2, подсчитывается ориентировочно содержание углерода в стали.

 

5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

 

В отчете привести следующие данные:

1. Диаграмму состояния Fe – Fe₃C (рис. 3 или рис. 17) с указанием на ней положения изученных сплавов.

2. Определение структурных составляющих сталей и характеристика их свойств.

3. Зарисовки микроструктур изученных сплавов с указанием структурных составляющих, марки стали и содержания углерода.

4. Определение содержание углерода по микроструктуре одного из образцов доэвтектоидной стали.

5. Описание условия получения эвтектоидной стали с пластинчатым и зернистым перлитом.

6. Описание условия получения полосчатой и видманштеттовой структуры и графитизированной стали.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте классификацию углеродистой стали по микроструктуре.

2. Дайте характеристику структурным составляющим углеродистой стали.

3. Определите относительное количество перлита в сплаве с 0,20 % С.

4. Дайте характеристику пластинчатому и зернистому перлиту, изобразите схематически их вид и объясните, при каких условиях они получаются.

5. Каковы причины появления строчечной структуры в сталях? Каково влияние строчечной структуры на свойства стали?

6. Дайте характеристику видманштеттовой структуры. Каковы условия ее появления и влияние на свойства?

7. Какова структура заэвтектоидной стали, при каких условиях в ней может образоваться графит?

8. Что такое вторичный и третичный цементит, каковы их микроструктурные признаки?

9. По диаграмме Fe – Fe₃C определите, сколько вторичного цементита содержится в стали с 1,3 % С; изобразите схематически микроструктуру этого сплава.

 

Таблица 3

Описание микроструктуры коллекции образцов углеродистой стали в равновесном состоянии с разным содержанием углерода

Номер образца	Марка сплава	С, %	Описание микроструктуры
	Армко- железо	0,03	Технически чистое железо. Светлые зерна феррита; местами по границам зерен – третичный цементит
		0,10	Доэвтектоидная сталь. Светлые зерна – феррит, темные – перлит
		0,20	То же, что и в образце 1, но перлита больше
		0,30	То же, что и в образцах 1, 2, но перлита больше
		0,40	То же, что и в образцах 1-3, но перлита больше
		0,50	То же, что и в образцах 1-4, но перлита больше
		0,65	Доэвтектоидная сталь. Перлит и феррит. Феррит располагается в виде светлой сетки по границам зерен перлита
		0,45	Доэвтектоидная сталь. Строчечная структура
		0,45	Доэвтектоидная сталь. Видманштеттовая структура. Феррит в виде пластин и игл
	У8	0,80	Эвтектоидная сталь. Пластинчатый перлит. Колонии перлита имеют разные оттенки
	У8	0,80	Эвтектоидная сталь. Зернистый перлит. Округлые зернышки цементита расположены в ферритной массе
	У12	1,20	Заэвтектоидная сталь. Видманштеттовая структура. Темное поле – перлит, светлая сетка и иглы – вторичный цементит
	У12	1,20	Заэвтектоидная сталь. Перлит и вторичный цементит. Цементит – в виде светлой сетки вокруг зерен перлита

 

Библиографический список

 

1. Грачев С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Екатеринбург: Изд-во Уральского технического ун-та, 2001.

2. Металлография железа / Под ред. Ф.Н. Тавадзе. М.: Металлургия, 1972. Т.П.: Структур