Краткие теоретические сведения

Цель работы

I) ознакомление с диграммой состояния и структурообразованием в системе железо - углерод и 2) практическое исследование микроструктуры типичных сталей и чугунов.

Краткие теоретические сведения.

2.1.Диаграмма состояния системы железо-углерод

Двухкомпонентная система железо-углерод Fe-C является основой широко распространенных технических сплавов - сталей и чугунов. При концентрации 6.67% по массе в этой системе образуется стойкое химическое соединение - карбид железа Fe₃С, называемое цементитом. Обычно ограничиваются рассмотрением части диаграммы состояния железо - цементит Fe- Fe₃С.

Железо аллотропно. До температуры 910°С оно существует в форме α-железа с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой. В интервале температур 910-1401 °С устойчиво δ-железо, имеющее решетку ГЦК. От температуры 1401°С вплоть до расплавления существует <5-железо, которое подобно α -железу имеет решетку ОЦК, но с другими параметрами. Кристаллы α -железа ферромагнитны до температуры 768°С, выше которой ферромагнетизм исчезает. Немагнитное железо обозначают как β-железо, однако его не следует считать самостоятельной аллотропной формой.

Температуры перехода одной модификации железа в другую называются критическими точками. Критические точки при охлаждении ниже, чем при нагревании. Критические точки железа были открыты в 1868 г. русским ученым-металлургом Д.И.Черновым (1839-1921).

Аллотропия железа усложняет диаграмму состояния, увеличивая число фаз и количество их взаимных превращений. На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния железо-цементит.

В системе железо-цементит имеется пять фаз: жидкий расплав L, цементит Fe₃С и твердые растворы углерода в трех аллотропных формах железа. Углерод растворяется в α-,γ-, и δ - модификациях железа, образуя твердые растворы внедрения. Растворимость углерода в γ- железе незначительна: 0.006 % при комнатной и 0.005 % при температуре 723°С.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы железо - цементит.

Твердый раствор углерода в α-железе носит название феррит от слова феррум. Феррит мало прочен, пластичен и ферромагнитен. Под микроскопом он выглядит в виде светлых зерен, разделенных темных

границами.

Растворимость углерода в γ-железе значительно больше, чем в α-железе, и достигает 2.06 % при температуре 1147°С. Твердый раствор углерода в γ-железе носит название аустенит.

Аустенит является фазой, существующей в сплавах системы железо-цементит только при температурах выше 723°С. Непосредственное наблюдение аустенита в железоуглеродистых сплавх возможно с помощью метода высокотемпературной микроскопии. Под микроскопом аустенит также, как и феррит, имеет вид светлых зерен, разделенных границами. Для него характерно наличие двойников внутри зерен, что нередко можно наблюдать в феррите. Аустенит обладает более высокой прочностью, чем феррит; он вязок, пластичен и парамагнитен.

Растворимость углерода в δ-железе больше, чем в α-железе, но меньше, чем в γ- железе. Твердый раствор углерода в δ-железе называется δ-ферритом и под микроскопом выглядит подобно ферриту.

Цементит Fe₃С является твердой, хрупкой фазой, обладающей ромбической решеткой с ковалентным типом связи. По температурным условиям выделения различают цементит первичный Fe₃С_I, вторичный -

Fe₃С_II и третичный Fe₃С_III. Первичный цементит выделяется по линии ДС. Вторичный по линии ES из аустенита, третичный- по линии PQ из феррита. Выделения цементита при охлаждении происходит из-за уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе, аустените и феррите соответственно. Заметим, что деление цементита на первичный, вторичный и третичный условно и не связано с различиями в химическом составе, кристаллической структуре и свойствах. Под микроскопом цементит имеет вид светлых блестящих включений, слегка выступающих над матрицей из феррита или аустенита, что связано с его высокой прочностью.

Для системы железо-углерод характерна еще одна фаза - графит, представляющая собой модификацию углерода. Графит имеет некомпактную гексагональную структуру с большим соотношением с/а, что придает ей слоистый характер. Графит имеет почти нулевую прочность и большую хрупкость, обладает высокой теплопроводностью и не плавится при температурах выше 3000°С. Графит является равновесной фазой в системе железо-углерод.

Сплавы с содержанием углерода до 2.06 % называют сталями. В них стабильное равновесие никогда не реализуется, т.е. в них графит не встречается ни как фаза, ни как структурная составляющая. В сплавах с содержанием углерода свыше 2,06 %, называемых чугунами, при медленном охлаждении и добавках кремния реализуется стабильное равновесие, для них характерно присутствие кремния в микроструктуре. При ускоренном охлаждении и добавках марганца в чугунах осуществляется метастабильное равновесие.

На диаграмме состояния (рис. 2.1) указаны сплошными линиями равновесия жидкой фазы аустенита и феррита с цементитом, что соответсвует метастабильному равновесию. Пунктиром показаны линии равновесия тех же фаз с графитом, отвечающие стабильному равновесию, при этом буквенные обозначения линий даются со штрихом (например, линия эвтектического метастабильного равновесия EF, а линия эвтектического стабильного равновесия E'F). Дублирование линий относится к тем линиям равновесия, которые характеризуют равновесие с участием как цементита, так и графита: EF, CD, SE, PQ и РК.

Можно видеть, что температуры эвтектического и эвтектоидного превращений для стабильного равновесия выше температур соответствующих метастабильных равновесий.

В системе железо-цементит имеют место следующие нонвариантные равновесия:

- перитектическое L + δ - твердый раствор 1493°С γ -твердый
раствор (аустенит) (линия HIB);

- эвтектическое L 1153°С γ- твердый раствор (аустенит) + графит

(линия E'С'P');

- эвтектическое метастабильное L 1147°С γ- твердый раствор
(аустенит)+цементит (линия ECF);

- эвтектоидное у- твердый раствор (аустенит) 738°C а-твердый
раствор (феррит) + графит (линия P'S'K ' );

эвтектоидное метастабильное γ- твердый раствор (аустенит) 723°С α- твердый раствор (феррит) + цементит (линия PSK).

2.2 Микроструктура железоуглеродистых сплавов

Микроструктура железоуглеродистых сплавов формируется под
влиянием эвтектического превращения и эвтектоидного превращения
аустенита, тогда как перитектическое превращение практического
значения не имеет. Во всех сплавах системы, начиная с содержания
углерода 0.025 % происходит эвтектоидное превращение. При
температуре 723°С аустенит распадается на физико-химическую смесь
кристаллов двух фаз: феррита и цементита. Продукт эвтектоидного
превращения - эвтектоид - носит название перлит от слова "перл"
(жемчуг), так как при его наличии в микроструктуре после травления на поверхности шлифа наблюдается жемчужный отлив. Эвтектоидное
превр ащение называют также перлитным. Перлит представляе т собой^.

Дозвтактоиднйя сталь Заэвтгктоидня сталь

Рис. 2.2. Схема формирования структуры углеродистых сталей при охлаждении.

структурную составляющую, которая выглядит под микроскопом в виде темной массы вследствие большой поверхности раздела между ферритом и цементитом. Микроструктура сталей формируется благодаря протеканию эвтектоидного превращения. Эвтектоидная сталь с 0.83 % углерода содержит в своей структуре одну структурную составляющую -перлит. В структуре доэвтектоидных сталей имеются две структурные составляющие - феррит и перлит. В заэвтектоидных сталях структура состоит из перлита и вторичного цементита. Фазовый состав всех сталей: феррит + цементит. На рис. 2.2 схематически показано формирование микроструктуры доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали при охаждении.

По форме частиц цементита различают перлит пластинчатый и зернистый. Для перлита характерна мекодисперсность частиц цементита, благодаря чему при небольших увеличениях под микроскопом перлит кажется сплошной темной структурной составляющей. Чем более тонкое строение имеет перлит, тем выше его твердость и прочность.

В доэвтектоидных сталях с увеличением содержания угерода количество перлита увеличивается, вместе с тем увеличивается прочност?ь, а пластичность уменьшается. В заэвтектоидных сталях присутствие в структуре частиц цементита, расположенных как правило пограницам зерен перлита, очень сильно повышает твердость и прочность, а вместе с тем и хрупкость.

Для доэвтектоидной стали по микроструктуре возможно определение содержания углерода. Известно, что в микроструктуре эвтектоидной стали (содержание углерода - 0,83 %) имеется одна структурная составляющая - перлит. Если пернебречь растворимостью углерода в феррите, можно считать, что весь углерод в доэвтектоидных сталях находится в перлите, поэтому задача сводится к определению объемной доли перитной составляющей одним из методов количественной микроскопии (например, точечным методом или методом секущих). Содержание углерода в доэвтектоидной стали подсчитывается по формуе:

с = (n*0.83/100)%,

где п - доля перлитной сотавляющей, определенная одним из методов коичественной микроскопии (%); 0,83 (%) - содержание углерода в перлите.

Углеродистую сталь подразделяют по нескольким признакам:

1) по назначению - на сталь машиностроительную (конструкции-онную), к которой относятся стали с содержанием углерода до 0,65 %, и
инструментальную сталь с содержанием углерода свыше 0,65 %;

2) по способу выплавки - на мартеновскую, томасовскую,
бессемеровскую и электросталь*;

3) по количеству вредных примесей - серы и фосфора - на сталь
обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

Машиностроительная (конструкционная) сталь обыкновенного качества делится на две группы и маркируется двумя способами. Стали группы А принимаются по механическим свойствам обозначаются ст.О, ст.1, ст.З и т.д. (например, ст.О должна иметь предел прочности 32 - 47 кг/мм² (приблизительно 320 - 470 Мпа), относительное удлинение 5 = 18 %). Стали группы Б принимаются по химическому составу, подвергаются термической обработке и обозначаются М Ст.0, М Ст.1, М Ст.2, Б Ст.1 и т.д., где буквы М и Б указывают на способ выплавки -мартеновский или бессемеровский. Для качественной стали принятое обозначение марок стали (например, 08, 10, 20, 40 и т.д.) указывает на содержание углерода в сотых долях процента.

Для инструментальных углеродистых сталей принято указывать марку по числу десятых долей углерода с буквой У перед числом ст. У7, У8, У10...У13. Если сталь высококачественная, то добавляется буква А: например, ст. У8А.

* Промышленные способы получения ("выплавки") сталей традиционно называются по имени их создателей: немецкого металлурга Пьера Мартена (1824 - 1915), английских металлургов Сиднея Джалкриста Томаса (1850 - 1883) и Генри Бессемера (1813 -1898).

Микроструктура чугунов формируется под влиянием двух превращений: сначала эвтектического, а затем эвтектоидного.

По виду излома и микроструктуре чугуны делят на белые и серые. В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Излом белого чугуна белый, блестящий. В серых чугунах углерод находится как в связанном (в виде цементита), так и в свободном состоянии в виде графита. Излом серого чугуна серый, матовый. Белые чугуны получаются в соответствии с метастабильной диаграммой состояния, а серые - в соответствии со стабильной диаграммой состояния.

Рассмотрим структурообразование в белом чугуне. По своему положению на диаграмме состояния чугун делят на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический.

В белом эвтектическом чугуне с содержанием углерода 4.3% (рис. 2.3) кристаллизация заключается в образовании эвтектики, состоящей из двух фаз: цементита и аустенита. Такая эвтектика носит название ледебурит. Непосредственно после затвердевания в эвтектическом сплаве одна структурная составляющая - эвтектика (ледебурит). Охлаждение сплава до температуры эвтектоидного превращения не вносит изменений в микроструктуру. При температуре 723°С аустенит, входящий.-в эвтектику, претерпевает эвтектоидный распад с образованием перлита. Полученная микроструктура носит название перлитный ледебурит в отличие от эвтектики, которую можно называть также как аустенитный ледебурит. Фазовый состав перлитного ледебурита: феррит и цементит.

Кристаллизация доэвтектического белого чугуна начинается с выпадения кристаллов аустенита, затем оставшаяся жидкость превращается в аустенитный ледебурит. В интервале температур между эвтектическим и эвтектоидным превращениями происходит выделение вторичного цементита вследствие растворимости углерода в аустените. При температуре эвтектоидного превращения кристаллы как первичного аустенита, так и входящего в эвтектику, превращаются в перлит. В таком сплаве после охлаждения имеется три структурных составляющих: перлит, перлитный ледебурит и вторичный цементит, при таком же фозовом составе: феррит и цементит.

Кристаллизация заэвтектического белого чугуна начинается с выпадения крупных первичных кристаллов цементита Fe₃С_I. Далее расплав превращается в аустенитный ледебурит, который затем при температуре эвтектоидного превращения заменяется перлитным ледебуритом. В этом сплаве при комнатной температуре имеются две структурные составляющие: первичный цементит Fe₃С_I и перлитный ледебурит при таком же фазовом составе, а именно: феррит и цементит.

На рис. 2.3 схематически показано формирование структуры белых чугунов. Белый чугун очень тверд и хрупок благодаря большому количеству цементита в его структуре. Этим объясняется область его применения: небольшая часть идет на литье износостойких деталей и получение так называемого ковкого чугуна, а большая часть на передел в сталь.

Серый чугун является важным литейным сплавом для машиностроения. Механические свойства серого чугуна определяются главным образом его структурой, которая состоит из металлической основы и графита. Металлическая основа в сером чугуне подобна сняавам и может обладать микроструктурой феррита, феррита с перлитом или перлита. Графитные выделения могут иметь различную форму: крупных и мелких пластин, хлопьев, глобулей (шаровидная форма). Наиболее популярна глобулярная форма графита, которая получается при обработке жидкого чугуна небольшими добавками церия и магния. Благодаря такой форме графита металлическая основа становится менее разобщенной, а сплав - более пластичным при большой прочности (<т_в = 50... 70 кг / мм² = 500... 700 Мпа). Чугун₇обработанный магнием или церием, имеющий в структуре глобулярный графит, называется глобулированным высокопрочным. На рис. 2.4 схематически показана микроструктура серого чугуна.

Рис. 2.3. Схема формирования структуры белых чугунов

при охлаждении.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и двумя числами, из которых первое соответствует пределу прочности при растяжении, второе - пределу прочности при изгибе / кг/мм²/ (например: СЧ 12-28, СЧ 32-52 и т.д.). Модифицированный высокопрочный чугун имеет более

высокие механические показатели и маркируется с добавлением буквы М (СЧМ 28-48, СЧМ 35-56 и т.д.).

Рис. 2.4. Виды микроструктуры серых чугунов: пластинчатый графит в феррито-перлитной основе (а), пластинчатый графит в фер-ритной основе (б) и глобулярный графит в ферритно-перлитной основе в высокопрочном сером чугуне (в).

З.Поря док выполнения работы

1. Ознакомиться с диаграммой состояния железо-цементит.

2. Выполнить микроскопический анализ микроструктуры стали:

а) просмотреть под микроскопом и схематически изобразить
микроструктуру доэвтектоидной и заэвтектоидной стали, указать
структурные составляющие;

б) определить марку доэвтектоидной стали точечным или
линейным методами количественной металлографии.

3. Выполнить микроскопический анализ микрострутуры чугуна:

а) просмотреть под микроскопом и схематически изобразить микроструктуру серого чугуна с пластинчатым графитом, указать структурные составляющие;

б) просмотреть под микроскопом и схематически изобразить
микроструктуру серого чугуна с шаровидным графитом, указать
структурные составляющие;

в) просмотреть под микроскопом и схематически изобразить
микроструктуру белого заэвтектического чугуна, указать структурные
составляющие.

Содержание отчета по работе.

Отчет должен содержать:

а) диаграмму состояния железо-углерод;

б) реакции фазовых превращений в соответствии с диаграммой
состояния;

в) схему микроструктуры до-и заэвтектоидных сталей с указанием
структурных составляющих. Для доэвтектоидной стали указать марку;

г) схемы микроструктур серого чугуна с указанием структурных
составляющих;

д) схему микроструктур белого чугуна с указанием структурных
составляющих.

5. Контрольные вопросы.

1. Что такое феррит, аустенит, цементит?

2. Какая максимальная концентрация углерода в стали?

3. Что такое перлит?

4. Какие стали называются доэвтектоидные?

5. В чем сущность эвтектоидных превращений?

6. Как зависит твердость и прочность перлита от размера фаз»
входящих в него?

7. Как найти содержание углерода в доэвтектоидной стали по ее структуре?

8. Чем отличается серый чугун от белого?

9. Что такое ледебурит?

10. Как влияет форма графита на свойства серых чугунов?

Литература.

1. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Материаловедение. - М:
МГТУ им. Баумана. 2001 г.

2. Материаловедение; Под редакцией член. - кор. РАН Ю.М. Соломенцева. М.«Высшая школа» 2005 г.

3. А.П. Гуляев' «Металловедение». М., Металлургия, 1986 г.

4. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. М., Машиностроение, 1990 г.