Микроструктура углеродистой стали

В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры углеродистой стали в отожженном состоянии.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Отожженное (равновесное) состояние достигается только при медленном охлаждении, обеспечивающем полное завершение всех фазовых превращений согласно диаграмме состояния железо-цементит. Поэтому ее знание необходимо для успешного изучения микроструктуры углеродистой стали в отожженном состоянии.

Углеродистой сталью в соответствии с диаграммой состояния железо-цементит называется железоуглеродистый сплав, содержащий от 0,025 до 2,14%С (последние данные 2,06%С). Кроме железа и углерода, промышленная углеродистая сталь содержит постоянные, технологически необходимые при ее производстве, примеси, такие, как кремний (до 0,5%), марганец (до 0,8%), сера (0,05%), фосфор (0,05%), кислород (0,004%) и др. Малое содержание постоянных примесей в углеродистой стали позволяет рассматривать происходящие в ней процессы образования тех или иных фаз и структур, как в двойных сплавах, по диаграмме состояния железо-цементит.

При нормальной (комнатной) температуре сталь состоит из следующих фаз - феррита и цементита, образующих однофазные - феррит и цементит и двухфазную структурную составляющую - перлит.

Феррит представляет собой ограниченный твердый раствор внедрения углерода в железе, имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, твердость НВ=600...800 МПа, очень пластичен, ферромагнитен до температуры 768^ОС. На диаграмме состояния железо-цементит занимает две области АНN и GPQ. Растворимость углерода в феррите весьма мала (0,025% при t=727^ОС; 0,0067% при t=20^ОС) и связана, по-видимому, лишь с размещением атомов углерода в дефектных местах кристаллической решетки растворителя - железа. При наблюдении в микроскоп феррит имеет вид однородных зерен светлой или зачастую различной окраски, что объясняется неодинаковой травимостъю зерен, срезанных по различным кристаллографическим плоскостям при изготовлении микрошлифа (анизотропия свойств кристаллов).

Цементит - химическое соединение Fe₃C представляет собой карбид железа, содержащий 6,67% углерода, имеет сложную кристаллическую решетку с плотной упаковкой атомов, обладает высокой твердостью НВ=10000 МПа и хрупкостью. При наблюдении в микроскоп после обычного травления с использованием универсального реактива -(4% раствора азотной кислоты в этиловом спирте) цементит, как и феррит, выглядит в виде светлых участков. Вследствие слабой растворимости цементита в кислотах его участки в структуре выступают над окружающим ферритом и остаются более гладкими и блестящими по сравнению с ферритом. Для четкого выявления цементита можно применять специальное травление пикратом натрия, после которого цементит окрашивается в темный цвет, а феррит остается светлым.

Различают первичный цементит (Ц_I), выделяющийся в виде игл или пластин при первичной кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур линии СD диаграммы состояния железо-цементит (1252-1147^ОС) у сплавов, содержащих более 4,3% С; вторичный цементит (Ц_II), выделяющийся при вторичной кристаллизации из аустенита в виде сетки по границам его зерен в интервале температур линии ES (1147-727^ОС) у сплавов с содержанием углерода более 0,8%; третичный цементит (Ц_III), выделяющийся из феррита в виде сетки по границам его зерен в интервале температур линии PQ (727-20^ОС) у всех сплавов, содержащих более 0,0067% углерода.

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - феррита и цементита, которая образуется при температуре линии PSK диаграммы (727^ОС) в результате эвтектоидного превращения по реакции . Выявленный металлографически в связи с наличием межфазных границ как смесь, перлит по своей природе представляет собой бикристаллическое образование, двухфазный бикристалл, т.е. сросток сильно разветвленных кристаллов разных фаз.

В зависимости от цементита различают пластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием более 0,3 мкм, получаемый в результате отжига, и зернистый, получаемый путем специальной термической обработки. Твердость НВ пластинчатого и зернистого перлита составляет соответственно 2000-2500 МПа и 1600-2200 МПа и зависит от степени измельченности (дисперсности) цементита. Другие характеристики механических свойств перлита также обусловливаются свойствами его фазовых составляющих и зависят от степени дисперсности цементита. Чем крупнее составляющие перлит пластины цементита и феррита, тем ниже уровень его механических свойств, причем у крупнопластинчатого перлита снижаются характеристики и прочности, и пластичности. После обычного травления при наблюдений в микроскоп пластинчатый перлит выглядит в виде чередующихся светлых пластин феррита и цементита, причем ширина цементитных пластин приблизительно в 7 раз меньше ширины пластин феррита. При уменьшении увеличения микроскопа в связи со слиянием растравленных границ между ферритом и цементитом последний выглядит в виде темных пластин, почему очень часто на схеме микроструктуры перлит изображают в виде чередующихся светлых пластин феррита и темных пластин цементита. При совсем малых увеличениях перлит наблюдается в виде зерен серого цвета. Зернистый перлит под микроскопом наблюдается в виде светлых включений округлой формы на светлом фоне феррита. Строение перлита целесообразно рассматривать при увеличениях не менее 500 раз.

2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

В соответствии с диаграммой состояния железо-цементит углеродистая сталь разделяется на доэвтектоидную, содержащую более 0,025 и менее 0,8% углерода; эвтектоидную, содержащую 0,8% углерода; заэвтектоидную, содержащую более 0,8 и менее 2,14% углерода. Сплавы с содержанием углерода до 0,025% называют техническим железом.

2.1. Микроструктура технического железа

Техническое железо с содержанием углерода менее 0,0067%С, например электролитическое железо, является однофазным и под микроскопом имеет вид светлых однородных зерен феррита (рис.9.1, а). Техническое железо с содержанием углерода более 0,0067% является двухфазным и состоит из феррита и третичного цементита (рис.9.1, б), выделяющегося в соответствии с линией PQ диаграммы состояния железо-цементит.


а	б

Рис.1. Схема микроструктуры технического железа

с содержанием углерода менее 0,0067% (а, феррит)

и более 0,0067% (б, феррит и третичный цементит). ´500

2.2. Микроструктура доэвтектоидной углеродистой стали

Рис.2. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали. Феррит и перлит. ´500

Микроструктура доэвтектоидной углеродистой стали в отожженном состоянии при нормальной температуре состоит из зерен феррита и перлита (рис.2). Феррит выделяется при охлаждении из аустенита ниже линии GS диаграммы состояния железо-цементит. В результате этого процесса содержание углерода в аустените достигает 0,8% и при температуре линии PSK (727^ОС) по эвтектоидной реакции аустенит превращается в перлит. С увеличением содержания углерода объемная доля перлита в доэвтектоидной стали увеличивается, а феррита - уменьшается.

2.3 Микроструктура эвтектоидной углеродистой стали

Микроструктура эвтектоидной углеродистой стали в отожженном состоянии при нормальной температуре состоит из зерен пластинчатого перлита (рис.3). В соответствии с диаграммой состояния железо-цементит перлит образуется в результате эвтектоидной реакции при температуре линии PSK (727^ОС). Эвтектоидная двухфазная ферритоцементитная смесь называется перлитом в связи с перламутровым видом микрошлифа после травления при наблюдении в микроскоп

2.4 Микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали

В заэвтектоидной углеродистой стали при температурах ниже линии ES диаграммы состояния железо-цементит из аустенита выделяется вторичный цементит. При этом содержание углерода в аустените уменьшается в соответствии с линией ES и при температуре линии PSK (727^ОС) становится равным 0,8%. Аустенит с содержанием 0,8% углерода в результате эвтектоидной реакции превращается в ферритоцементитную смесь - перлит. Поэтому после окончания охлаждения микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали будет состоять из перлита и вторичного цементита, расположенного в виде сетки по границам зерен пластинчатого перлита (рис.4).

Рис.3. Схема микроструктуры эвтектоидной углеродистой стали. Перлит. ´500

Рис.4. Схема микроструктуры заэвтектоидной углеродистой стали. Перлит и вторичный цементит. ´500

2.5. Микроструктура стали с зернистым перлитом

Микроструктура зернистого перлита, получаемого часто путем специальной термической обработки высокоуглеродистой заэвтектоиднои стали - отжига на зернистый перлит, представлена на рис.5.

Рис.5. Схема микроструктуры заэвтектоидной углеродистой стали после специальной термической обработки. Зернистый перлит. ´500

Рис.6. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали после сильного перегрева при отжиге. Феррит в виде игл (видманштеттова структура). ´500

2.6. Видманштеттова структура (микроструктура) стали

Структуру с характерной формой феррита в виде игл и пластин в доэвтектоидной углеродистой стали или вторичного цементита в заэвтектоидной углеродистой стали принято называть видманштеттовой (рис.6). Такая структура наблюдается в литой стали, медленно охлажденной из области высоких температур, или в стали, сильно перегретой при отжиге и других видах обработки. Видманштеттова структура отличается крупнозернистостью, очень низкими значениями характеристик механических свойств и определенным расположением феррита и цементита по кристаллографическим плоскостям внутри зерен аустенита, а затем перлита.

Рис.7. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали после прокатки. Строчечная структура. Феррит и перлит. ´350

2.7. Микроструктура холоднодеформированной доэвтектоидной углеродистой стали (строчечная структура) В результате холодной деформации, например, прокатки, возникает ориентированность в расположении зерен. Такую структуру называют строчечной. Строчечная структура доэвтектоидной углеродистой стали после прокатки представлена на рис.7.

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы.

- Изучите особенности формирования структуры углеродистой стали при охлаждении из жидкого состояния в равновесных условиях.

- Изучите микроструктуру углеродистой стали в отожженном состоянии (альбом, с.9-12).

- Изобразите схемы микроструктур углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Выполните микроструктурный анализ углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Проследите за формированием структуры углеродистой стали одного из составов при охлаждении из жидкого состояния.

- Составьте отчет о работе.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Определение углеродистой стали.

- Классификация углеродистой стали.

- Определение структурных составляющих углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Схемы микроструктур углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Микроструктурный анализ углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Схемы вероятных микроструктур одного из составов углеродистой стали в процессе охлаждения из жидкого состояния.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Какой сплав называется углеродистой сталью?

- Что представляют собой структурные составляющие стали - феррит, цементит, перлит и какими основными свойствами они обладают?

- Какие сплавы называются техническим железом, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталью?

- Чем отличается по микроструктуре пластинчатый перлит от зернистого?

- В чем состоит различие между микроструктурами доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали в отожженном состоянии?

- В чем состоит понятие вторичный и третичный цементит?

- Каким путем достигается отожженное (равновесное) состояние стали?

- Какие структуры называются видманштеттовыми?

- В каких случаях появляется видманштеттова структура?

- В каких случаях появляется строчечная структура?

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев А.П. Металловедение.- М.:Металлургия, 1986.- 544 С., С.148-160, 275-279.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.:Металлургия. 1984.- 360 С., С.119-128, 193-199.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.:Металлургия, 1989.- 456 С., С.260-265.

Лабораторная работа №6

МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры чугуна с использованием диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней.

1. OCHOBHЫE ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.

Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.2). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727^ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727^ОС превращается в перлит.

Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-цементит

В доэвтектическом чугуне (см. рис.1., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.3). В заэвтектическом чугуне (см. рис.1, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.4). При этом на уровне температур 1147^ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.

	0₁₀-С	С-С¢

С¢-1₁₀	1₁₀-1¢₁₀

1¢₁₀-2₁₀

Рис.2. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10

Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147^ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727^ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727^ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727^ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147^ОС и 727^ОС (см. рис.2-4).

	0₁₁-1₁₁	1₁₁-2₁₁

2₁₁-2¢₁₁	2¢₁₁-3₁₁

3₁₁-3¢₁₁	3¢₁₁-4₁₁

Рис.3 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11

Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.

Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.

Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 3₁₁ содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 3₁₁К/РК, а цементита - Р3₁₁/РК.

	0₁₂-1₁₂	1₁₂-2₁₂

2₁₂-2¢₁₂	2¢₁₂-3₁₂

3₁₂-3¢₁₂	3¢₁₂-4₁₂

Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы.

- Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.

- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.

Для этого:

- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;

- постройте кривую охлаждения;

- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;

- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава,

приведите уравнения фазовых реакций;

- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;

- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.

- Составьте отчет о работе.

Исходные данные для анализа процесса кристаллизации

железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях

Номер варианта	Содержание углерода, в сплаве, %	Температура t, ^ОС
	0,1
	0,3
	0,4
	0,5
	0,8
	1,0
	1,5
	2,0
	2,5
	3,0
	3,5
	4,3
	5,0
	5,5
	6,0

Примечания: 1. Номер варианта выбирается по номеру в списке подгруппы.

2. Характерные точки сплава на диаграмме и на кривой охлаждения целесообразно указывать как 0₁, 1₁, 2₁, где 0, 1, 2 и т.д. - номер точки, а подстрочная единица - номер исследуемого сплава.

4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Основные теоретические представления о диаграмме состояния системы железо-углерод.

- Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Почему диаграмма состояния железо-цементит является метастабильной системой?

- Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, перлитом, ледебуритом?

- Укажите на диаграмме линию ликвидус, линию солидус, линии нонвариантных реакций.

- Какую кристаллическую решетку имеет a-железо, g-железо?

- Изобразите геометрические образы нонвариантных перитектической, эвтектической, эвтектоидной реакций.

- Опишите с помощью уравнений нонвариантные реакции.

- Укажите фазовое состояние в различных областях диаграммы.

- Укажите структурное состояние при нормальной температуре доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали и доэвтектического, эвтектического, заэвтектического чугуна.

- В чем заключается отличие цементита первичного от вторичного и третичного?

- Определите количественное соотношение феррита и цементита в перлите и ледебурите.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

4. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 544С., С.142-160.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 360 С., С.116-128.

6. Металловедение и термическая обработка стали. В 3-х т. Т.2. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- М.: Металлургия, 1983.- 368 С., С.67-83.

Лабораторная работа №7