Микроструктура железоуглеродистых сплавов

Цель работы

Приобретение практических навыков исследования микроструктуры углеродистых сталей с помощью микроскопического анализа и определение состава и марок сталей.

 

При очень медленном охлаждении сплавов, начиная с температуры жидкого состояния, все фазовые превращения в них протекают равновесно благодаря тому, что процессы диффузии успевают изменять химический состав взаимодействующих фаз в строгом соответствии с диаграммой состояния. Такое охлаждение принято называть равновесным. Сплавы же после такого охлаждения, соответственно, находятся в равновесном состоянии и характеризуются равновесной структурой.

Технические металлы и сплавы обычно имеют поликристаллическую зернистую структуру. Каждое зерно представляет собой кристалл микроскопических размеров, не имеющих той правильной геометрически внешней формы, которая ему присуща в соответствии с типом его кристаллической решетки.

Зерно, подобно сплавам, может быть однофазным, двухфазным и т.д. Если в пределах границ зерна химический состав однороден и кристаллическая решетка единая – такое зерно однофазно. Однофазные зерна имеют чистые металлы, ненасыщенные твердые растворы и химические соединения. У первых двух обычно высокая пластичность, а химические соединения отличаются высокой прочностью, твердостью и хрупкостью.

Зерна эвтектики и эвтектоидов, как минимум, двухфазны. Каждая фаза характеризуется своим химическим составом, своей кристаллической решеткой и присущими ей свойствами.

Особенности строения равновесной структуры, как зерен, так и любого сплава в целом, определяются спецификой типа диаграммы состояния, концентрирующей в себе чрезвычайно важную и богатую информацию. Каждая диаграмма состояния определяет и целесообразность технического применения сплавов, и их технологичность в литье, обработке давлением, сварке, обработке резанием, и указывает возможное изменение структуры и свойств сплавов посредством соответствующей термической обработки.

Примером тому может служить диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов (рис. 3.1), объединяющая в себе важнейшие технические конструкционные материалы – стали и чугуны.

 

Рис. 3.1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

 

Качество сталей как железоуглеродистого сплава обусловлено в основном их составом и структурой. В нем железо образует термодинамически неустойчивое химическое соединение с углеродом Fe₃C, называемое цементитом. Значительная часть железа находится в чистом виде с температурой плавления 1539 °С. Железо имеет четыре полиморфные модификации: α-Fe, β-Fe, g-Fe и δ-Fe. Практическое значение имеют модификации α-Fe и g-Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модификация α-Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, g-Fe – кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 3.2).

 

 

 

Рис. 3.2. Кривая охлаждения железа

 

В процессе охлаждения расплавленного железа при температуре 1539 °С образуется площадка, характеризующая формирование кристаллической модификации δ-Fe; при температуре 1392 °С происходит полиморфная модификация δ-Fe в модификацию g-Fe, которая при температуре 898 °С переходит в модификацию β-Fe; при температуре 768 °С модификация β-Fe переходит в модификацию α-Fe. Изучение этих четырех форм существования кристаллического железа показало, что в модификации g-Fe имеется межатомное расстояние в кристаллической решетке, меньше, чем в модификации β-Fe, и поэтому переход g-Fe в β-Fe сопровождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α-Fe обладает магнитными свойствами (ферромагнит), когда как модификация β-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя их кристаллические решетки сходны между собой.

Большое значение для практики имеет свойство модификации g-Fe растворять до 2,14% углерода при температуре 1147 °С с образованием твердого раствора и с внедрением атомов углерода в кристаллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимости углерод в модификации g-Fe уменьшается. Твердый раствор углерода и других элементов (азот, водород) в модификации g-Fe называется аустенитом (по имени ученого Р. Аустена), почти в 100 раз меньше углерода может раствориться в модификации α-Fe, причем твердые растворы углерода и других элементов в модификации α-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов в железе, в железоуглеродистых сплавах может быть, как отмечено выше, химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C. Это соединение, называемое цементитом, содержит 6,67% углерода, имеет сложное кристаллическое строение с плотноупакованной ромбической кристаллической решеткой.

В сплавах цементит является метастабильной фазой. Его температура плавления равна примерно 1500 °С. Он хорошо растворим в модификации
g-Fe, меньше – в δ-Fe и совсем мало – в α-Fe.

В сплавах диаграммы состояния железоуглеродистых сталей, встречаются следующие структурные составляющие:

Ø Однофазные

а) Феррит – твердый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК решеткой; весьма пластичен (δ = 40%), с пределом прочности, равным 30 кгс/мм²,
НВ – 90, а_n = 25 кгсм/см². Его фазовое поле (рис. 3.1) ограничено ломаной линией QPG. При температуре 727 °С α – железо растворяет 0,02% С с понижением температуры, в соответствии с ходом солвуса (PQ), растворимость убывает и при комнатной температуре составляет всего 0,006 %;

б) Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g – железе с ГЦК решеткой и высокой пластичностью. Его фазовое поле на диаграмме (рис. 3.1) ограничено ломаной линией GSEA. При температуре 1147 °С растворимость углерода максимальна – 2,14%, с понижением температуры, согласно солидусу (ES), она убывает до 0,8%;

в) Цементит – химическое соединение – Fe₃C с 6,67% С и сложной ромбической решеткой. Он достаточно тверд (НВ = 800);

г) Графит – одна из аллотропических форм углерода с удельным весом 2,35 г/см³, низкой прочностью и твердостью (НВ = 3). В сплавах на основе железа присутствует в виде включений пластинчатой, глобулярной или хлопьевидной формы.

Ø Двухфазные

а) Перлит – продукт диффузионного эвтектоидного распада аустенита состава точки S (0,8% С) с пластинчатым строением зерен из чередующихся пластинок феррита и цементита, пределом прочности, равным 90 кгс/мм²;
δ = 16%, НВ = 200;

б) Ледебурит – эвтектика, образующаяся при кристаллизации жидкого металла состава точки С по схеме L → (g + Fe₃C). Он состоит из цементитной основы с множеством мелких зерен аустенита, которые ниже 727 °С превращаются в перлит. Тверд (НВ ≈ 600) и хрупок. Присутствуя в структуре, он делает сплавы непригодным к обработке давлением и затрудняет обработку резанием.