Основні відомості про структуру сталей у зрівноваженому стані

Структура у зрівноваженому (відпаленому) стані визначається вмістом вуглецю і показана на діаграмі стану «залізо-вуглець» (рис. 3.1), на якій суцільними лініями зображено діаграму «залізо-цементит» (Fе-Fе₃С), а пунктирними — «залізо-графіт». Перша будується за відносно швидким охолодженням (кілька градусів за хвилину), а друга — за дуже повільним охолодженням, близьким до зрівноваженого.

Рисунок 3.1 - Діаграма стану «залізо-вуглець»

У залізовуглецевих сплавах зустрічаються одно- та двофазні структурні складові. До однофазних відносять ферит, аустеніт, цементит і графіт, а до двофазних — перліт та ледебурит.

Ферит — це твердий розчин вуглецю в α-залізі, має кристалічну кубічну об’ємноцентричну ґратку. Максимальна розчинність вуглецю в α-залізі — близько 0,006% при 20°С та 0,02% при 727°С. Ферит магнітний, м'який, пластичний, міцність 300 МН/м², твердість за Брінелем 80–100 НВ, відносне подовження 40%, порівняно електро- і теплопровідний.

Аустеніт — твердий розчин вуглецю в γ-залізі, має гранецентричну кубічну ґратку. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті при 1147°С — 2,14%, найменша — при 727°С — 0,8%. Аустеніт не магнітний, м'який, пластичний, добре кується, твердість за Брінелем 200 НВ, відносне подовження складає 20%.

Цементит — карбід заліза, хімічна сполука Fе₃С, має 6,67% вуглецю за масою і кристалічну октаендричну ґратку. Залежно від умов утворення розрізняють первинний, вторинний і третинний цементит. Первинний виділяється із рідкої фази, вторинний — з аустеніту, третинний — із фериту. Цементит крихкий, твердість 800 НВ, мала пластичність.

Графіт — різновид вуглецю, має гексагональну ґратку. Він темно-сірого кольору, з температурою плавлення близько 3850°С, густиною 2,2 г/см³, низькими твердістю та міцністю.

Перліт — це евтектоїдна суміш фериту й цементиту. Він утворюється з аустеніту при 727°С і містить 0,8% вуглецю. Залежно від форми зерен розрізняють пластинчастий та зернистий перліт. Кращі властивості має зернистий перліт.

Ледебурит — це евтектична суміш зерен аустеніту й цементиту, утворюється з рідкої фази з 4,3% вуглецю при 1147°С. За температури, вищої від 727°С, ледебурит складається з аустеніту і цементиту, а нижчої — із перліту та цементиту. Ледебурит надає залізовуглецевим сплавам крихкість, але поліпшує ливарні властивості, має твердість 700 НВ і малу пластичність.

Сплави системи «залізо-вуглець» поділяють на залізо, доевтектоїдні, евтектоїдні й заевтектоїдні сталі та чавуни.

Залізо високої чистоти — це метал білого кольору з феромагнітними властивостями. Міцність заліза 250 МН/м², твердість 60–80 НВ, відносне подовження 40–50%. Залізо має структуру чистого фериту. Сюди належить і електролітичне залізо. Сплави заліза з вуглецем до 0,02% нерідко відносять до заліза, але вони є двофазні. Їх структура складається з фериту та третинного цементиту (рис. 3.2). Він присутній у вигляді тонкої сітки по межах зерен і помітно впливає на пластичність заліза.

Рисунок 3.2 - Структура відпаленої сталі: а - технічне залізо; б - сталь 20; в - сталь 40; г - сталь У8; д - сталь У12; е - сталь У12 із зернистим цементитом

Доевтектоїдні сталі містять від 0,02 до 0,8% вуглецю і мають структуру ферито-перлітну. З підвищенням умісту вуглецю кількість фериту зменшується, а перліту — збільшується і при 0,8% вуглецю — перліту 100%. Уміст вуглецю у відпаленій доевтектоїдній сталі для практичної мети можна з достатньою точністю визначити за мікроструктурою. Приймемо ферит за практично чисте залізо і будемо вважати, що в перліті вуглецю 0,8%.

Тоді

Наприклад, якщо за мікроаналізом установлено, що перліт на мікрошліфі (темні зерна) займає 60% площі, а ферит 40%, то вміст вуглецю в сталі складає 0,48%.

Евтектоїдна сталь з 0,8% вуглецю має структуру, що складається з евтектоїду — перліту. Під мікроскопом поле шліфа затемнене і при великому збільшенні (500 та більше разів) видно пластинчасту будову перліту. Темні пластинки видимі на зразку під мікроскопом — це тіні від пластинок цементиту, що виникають після травлення шліфа. Нерідко у лавах зустрічається перліт із зернистою будовою. Сталь з такою структурою відрізняється кращою пластичністю та оброблюваністю різанням.

Заевтектоїдна сталь має більше ніж 0,8% вуглецю. Складається з перліту та вторинного цементиту, що утворився з аустеніту в разі зменшення розчинності вуглецю в γ-залізі. За правильного теплового режиму термічної обробки та обробки тиском вторинний цементит присутній у вигляді дрібних зерен, вкраплених у перліт. Але можливе виділення цементиту у вигляді сітки по межах зерен перліту (на мікрошліфі світла сітка), що погіршує властивості сталі. Це виникає після закінчення гарячої обробки тиском за занадто високої температури або перепалу з нагрівом вище точки Ас_т.

 

Таблиця 3.1 – Зразки вуглецевих сталей

Позна- чення	Назва	Уміст вуглецю, %	Мікроструктура
Армко	Технічне залізо армко	до 0,02	Ф 100%
Ст 3	Сталь звичайної якості	0,20	Ф 75% П 25%

Продовження таблиці 3.1

Позна- чення	Назва	Уміст вуглецю, %	Мікроструктура
Ст 6	Арматура А-ІІІ	0,44	Ф 45% П 55%
Сталь 60	Якісна конструк-ційна сталь	0,60	Ф 25% П 75%
У 8	Інстру-ментальна евтекто-їдна сталь	0,80	П 100%
У 12	Інструмен-тальна заевтекто-їдна сталь марки У 12	1,20	П, Ц2 у вигляді сітки по межах зерен
У 12	Інстру-ментальна заевтек-тоїдна сталь марки У 12	1,20	П, Ц2 зернистий
Зразок невідо-мої сталі	Доевтекто-їдна вуглецева сталь	Необхідно визначити	Указати мікро-структуру, вміст вуглецю та марку сталі

Порядок виконання роботи

1. Вивчити під мікроскопом при збільшенні в 110–140 разів мікроструктуру заліза та вуглецевих сталей із різною кількістю вуглецю (від 0 до 1,3%).

2. Замалювати структури, що вивчаються, в зошит, указати склад сталі та відмітити всі структурні складові.

3. Визначити за мікробудовою вміст вуглецю в запропонованому зразку доевтектоїдної сталі.

4. Накреслити діаграму «залізо-вуглець» та нанести на неї структурні складові.

5. Зробити висновки за виконаною роботою.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть одно- і двофазні структурні складові в залізовуглецевих сплавах.

2. Схарактеризуйте ферит, аустеніт, цементит, графіт, перліт та ледебурит.

3. Подайте класифікацію залізовуглецевих сплавів за вмістом вуглецю.

4. Яку структуру мають залізо, доевтектоїдна, евтектоїдна та заевтектоїдна сталі?

5. Методика визначення вуглецю у відпаленій доевтектоїдній сталі.

6. У яких умовах утворюється зернистий та пластинчастий перліт?

7. Як впливає на властивості сталі будова перліту?

Література: [1, с. 118; 3, с. 260].

Лабораторна робота №4