Микроструктура и твердость углеродистой стали в отожженном состоянии
Микроструктура и твердость углеродистой стали в отожженном
состоянии
Введение
Сталями называют железоуглеродистые
сплавы, содержащие менее двух процентов углерода. Углерод является основным
компонентом, влияющим на микроструктуру и свойства стали. После отжига, т.е. в
равновесном состоянии, фазовый состав и микроструктура стали соответствуют
диаграмме состояния «железо - углерод (цементит)».
1. Фазы в
железоуглеродистых сплавах
Аустенит (А) - твердый раствор
углерода в γ-железе.
Максимальная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14%. Аустенит имеет кубическую
гранецентрированную решетку (ГЦК) и устойчиво существует при температурах выше
727ºС.
Феррит (Ф) - твердый раствор
углерода в α-железе.
Максимальная растворимость углерода в α-железе составляет всего 0,025%. Феррит имеет кубическую
объемно-центрированную решетку (ОЦК) и устойчиво существует при температурах
ниже 911ºС. Из-за малого
содержания углерода свойства феррита близки свойствам железа. Твердость феррита
- 50…100 НВ в зависимости от содержания примесей.
Цементит (карбид железа Fe3С) представляет собой химическое соединение углерода с железом.
Цементит содержит 6,67% углерода, имеет сложную октаэдричесую решетку; он
хрупок и тверд. Его твердость достигает 800…1000 HV.
При температурах ниже 727ºС (линия РSК) все железоуглеродистые сплавы
имеют одинаковый состав - смесь феррита и цементита. Чем больше углерода, тем
больше цементита в стали и выше ее твердость.
Микроструктура стали формируется в
процессе охлаждения её на области аустенита при распаде последнего и зависит от
содержания углерода.
. Структурные
составляющие в сталях
Феррит имеет однофазную структуру и
является продуктом диффузионного распада аустенита при его охлаждении ниже
линии GS. Например, в сплаве I аустенит превращается в феррит в интервале температур Т1
- Т2 (точки 1 - 2). Феррит, как однофазная структура, при травлении
4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте имеет светлую окраску
различной яркости. Размер и форма ферритных зерен зависит от характера
обработки стали. После отжига в техническом железе и в низкоуглеродистой стали
зерна феррита имеют равноосную (полиэдрическую) форму. В среднеуглеродистых
сталях феррит образует отдельные островки или сетку вокруг перлитных зерен.
Микроструктура стали (х 240) и схема
ее зарисовки: а - техническое железо, феррит; б -
сталь 30, феррит и перлит; в-сталь 45, феррит и перлит; г - сталь 65, перлит и
сетка феррита; д - заэвтектоидная сталь У12, перлит и сетка цементита
Цементит вторичный (ЦII) - однофазная структура
- выделяется из аустенита при охлаждении стали ниже линии ЕS вследствие уменьшения растворимости
углерода в γ-железе.
Например, в сплаве II из аустенита в интервале температур Т3 - Т4
(точки 2 - 4) выделяется цементит, а аустенит при этом обедняется углеродом. В
медленно охлажденной стали цементит вторичный выделяется по границам
аустенитных зерен, образуя сетку. При травлении 4-процентным раствором азотной
кислоты цементит сохраняет ярко-белую окраску (он твердый, хорошо полируется и
хорошо отражает световые лучи).
Цементит третичный (ЦIII) выделяется из феррита
по линии РQ вследствие уменьшения растворимости углерода в α-железе от 0,025%
углерода в точке Р до 0,006% в точке Q. Как и цементит вторичный, он сохраняет ярко-белую окраску.
Перлит - двухфазная структура -
продукт эвтектоидного распада аустенита при температуре 727ºС.
Аs → Ф + ЦII, т.е. Аs → перлит (Ф + ЦII).
Перлит представляет собой смесь
феррита и цементита, одновременно образующихся при распаде аустенита
эвтектоидного состава (0,83% углерода). Обычно перлит имеет пластинчатое
строение - состоит из чередующихся пластин феррита и цементита, образующих
зерна (колонии) перлита. Толщина пластин находится за пределами разрешающей
способности линз оптического микроскопа, поэтому зерна перлита после травления
4-процентным раствором азотной кислоты окрашиваются в темный цвет (от черного
до светло-коричневого). При больших увеличениях (более 600 раз) и в оптический
микроскоп можно увидеть, что перлит состоит из чередующихся пластин.
Рисунок 3 - Микроструктура стали (х
800) и схема строения перлита: а - пластинчатый перлит, б - зернистый перлит
3. Микроструктура
углеродистых сталей после отжига
Микроструктура стали выявляется
путем травления полированных образцов 4-процентным раствором азотной кислоты в
этиловом спирте. По микроструктуре все стали можно разделить на следующие
группы.
Доэвтектоидные - с содержанием
углерода от 0,025 до 0,8% - имеют ферритно-перлитную структуру. Количество
феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Соотношение между
ними можно определить по правилу отрезков. Например, в сплаве I (0,5% углерода):
или
%; %,
сталь сплав микроструктура перлит
где gф - количество феррита;
gп - количество перлита.
Чем больше перлита в структуре
стали, тем выше прочность (твердость, предел прочности) и ниже пластичность и
вязкость.
Эвтектоидная сталь содержит 0,80%
углерода, структура - перлит.
Заэвтектоидные стали содержат
углерода от 0,80 до 2,0%, структура - перлит и цементит вторичный (ЦII).
В отожженной стали ЦII располагается по
границам перлитных (бывших астенитных) зерен в виде сетки. Так как цементит
хрупок и тверд, расположение его в виде сетки снижает пластичность, вязкость и
прочность стали (кроме твердости). Количество цементита вторичного (gЦII) увеличивается с
увеличением содержания углерода в стали. Например, для стали У10 (1% углерода)
%,
а для стали У13 (1,3%
углерода)
%.
Сплавы, содержащие менее
0,025% углерода, называют техническим железом. Структура таких сплавов - феррит
(С<0,006%) или феррит с включениями цементита третичного ЦIII. Цементит третичный выделяется по границам ферритных зерен в виде
отдельных зерен или сетки.
Литература
1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский,
А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 200 - 380 с.
2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.:
Металлургия, 1993. - 448 с.
. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/
Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.
. Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. -
Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.
. Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении:
справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.