Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей
Отчет по лабораторной работе
«Изучение
микроструктуры и свойств углеродистых сталей»
Цель работы
Изучить превращения в сплавах
системы железо-цементит и сталей различного состава в равновесном состоянии.
Определить содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.
Приборы, материалы и
инструменты:
Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов сталей.
1. Краткие сведения
Железоуглеродистые сплавы,
содержащие углерода менее 2,14%, называются сталями, а более 2,14% - чугунами.
Структура стали в равновесном состоянии, зависит от содержания вней углерода.
После полного отжига в углеродистой стали присутствуют следующие фазы и
структурные составляющие: феррит, цементит, перлит. Феррит (Ф) - твердый
раствор углерода в б-железе. Он является продуктом диффузионного превращения
аустенита при его охлаждении ниже температур линии GPSK. Максимальное
содержание углерода в феррите при
комнатной температуре достигает
0,006%.Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение д = 50%, твердость зависит от концентрации углерода и других
растворенных примесей и изменяется в пределах НВ 450-80. Феррит обладает
ферромагнитными свойствами, в парамагнитное состояние переходит при температуре
768°С.
Цементит (Ц) - химическое
соединение углерода с железом - карбид железа Fe3C. Кристаллическая решетка
цементита очень сложная ромбическая. Цементит обладает металлическим блеском,
тепло- и электропроводностью, малыми магнитными свойствами до температуры
210°С. Цементит - самая твердая составляющая, НВ = 8 000. Его пластичность практически ровна нулю.
Перлит (П) - эвтектоидная смесь из кристаллов цементита и феррита,
образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного
охлаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8%.
В зависимости от формы цементита
различают:
а) зернистый перлит, в котором
цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите;
б) пластинчатый перлит, в котором
цементит и феррит имеют форму
пластин; последние образуют смесь
чередующихся пластин цементита
и феррита. С уменьшением размера
цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастают. Обыкновенный
пластинчатый перлит имеет предел прочности ув = 820 МПа и относительное
удлинение д = 15%, а крупнопластинчатый - ув = 550 МПа и д = 5%. Зернистый
перлит имеет ув =630 МПа и д = 20%.Твердость
пластинчатого перлита НВ 2000-2500, а зернистого - НВ 1600-2200. Техническое
железо содержит не более 0,02% углерода и является как двухфазным, так и
однофазным сплавом.
Рис. 1 - Диаграмма состояния сплавов
системы железо-углерод
Технически чистое железо называют
армко-железом. Его получают в больших количествах промышленным способом с
суммарным содержанием
примесей около 0,15%. Сплавы с
содержанием углерода до 0,006% состоят из феррита и в интервале концентрации
0,006-0,02% - из феррита и цементита третичного, который выделяется по границам
ферритных зерен вследствие изменения растворимости углерода в феррите при
изменении температуры. Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% углерода.
Стали со - стоят из феррита (Ф) (светлые зерна) и перлита (П)
(темные зерна). Количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается
пропорционально увеличению содержания углерода. По соотношению площадей,
занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с определенной
степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно определить
содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содержание углерода в
доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь fп, занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения,
и умножить на содержание углерода в перлите (0,8%).Эвтектоидная сталь содержит
0,8% углерода, в ее структуру входит только перлит. Заэвтектоидные стали
содержат углерода более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного,
который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен
(цепочки) по границам зерен перлита. Содержание цементита вторичного в
структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации углерода
от 3,4% (при% С = 1%) до 20,4 (при% С = 2%) от всей массы сплава. Влияние
углерода на свойства стали в основном определяются свойствами цементита и
связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и
цементита. При увеличении углерода до 1,2% возрастают прочность ув,
. Ход работы
. Феррит:
Феррит (Ф) - твердый раствор
углерода в б-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита
при его охлаждении ниже температур линии GPSK.
Рис. 2 - Структура феррита
Сс = fп • 0,8,
где Сс - содержание углерода;п -
площадь, занятая перлитом.п = 25% = 0,25; Сс = 0,25•0,8 = 0,2%, значит марка
стали - Ст3кп;
2. Перлит - Феррит:
Доэвтектоидные стали содержат от
0,02 до 0,8% углерода. Стали состоят из феррита (Ф) (светлые зёрна) и перлита
(П) (тёмные зёрна). Количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается
пропорционально увеличению содержания углерода.
Сс = fп • 0,8,
где Сс - содержание углерода;п -
площадь, занятая перлитом.п = 50% = 0,5; Сс = 0,5 •0,8%= 0,4%, значит марка
стали - Ст6пс.
3. Перлит:
Перлит (П) - эвтектоидная смесь из
кристаллов цементита и феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита
в результате медленного охлаждения последнего. Эвтектоидная сталь содержит 0,8%
углерода, в её структуру входит только перлит.
Сс = fп • 0,8,
где Сс - содержание углерода;п - площадь,
занятая перлитом.п = 100%=1; Сс = 1 •0,8% = 0,8%, значит марка стали - У8.
4. Перлит - Цементит:
Заэвтектоидные стали - стали,
содержащие углерод более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного,
который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен
(цепочки) по границам зерен перлита.
Сс = fп ·0,8% + fц ·6,67%,
где fп - площадь, занятая перлитом;
fц - площадь,
занятая вторичным цементитом.
3. Контрольные вопросы и
задания
углеродистый
сталь цементит
1. Классификация
углеродистых сталей по назначению и качеству
По назначению: Конструкционные
стали, строительные стали, стали для холодной штамповки, цементируемые стали,
улучшаемые стали, высокопрочные стали, пружинные стали, подшипниковые стали,
автоматные стали, износостойкие стали, нержавеющие стали, коррозионностойкие
стали и сплавы, инструментальные стали, стали для режущих инструментов,
углеродистые инструментальные стали, легированные инструментальные стали,
быстрорежущие стали, штамповые стали, валковые стали.
По качеству: стали обыкновенного
качества, стали качественные и высококачественные.
2. Как изменяются
структура, механические и технологические свойства стали при увеличении
количества углерода?
С ростом содержания углерода в
структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении
доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению
пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается
до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется
грубая сетка цементита вторичного.
Углерод влияет на вязкие свойства.
Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную
вязкость.
Повышаются электросопротивление и
коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной
индукции.
Углерод оказывает влияние и на
технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные
свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4%),
обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что
стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.
3. Все структурные
составляющие, встречающиеся в сталях.
В зависимости от температуры и
содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы:
аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут
состоять из одних этих фаз, а также из их;
Аустенит является твердым раствором
углерода в г-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0%
при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените
уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°.
Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого
аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна
и обладает большой пластичностью.
Феррит представляет собой твердый
раствор углерода в б-железе. В б-железе при 700° растворяется до 0,02%
углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и
прочности и высокой пластичностью. Механические свойства феррита сильно зависят
от величины зерна.
Цементит - это химическое соединение
железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и
рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ - 800.
Цементит - нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных
условиях разлагаться.
Перлитом называют механическую смесь
феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно
охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%.
Твердость перлита НВ 180 ч 220. Сталь, содержащая 0,80% С, имеет чисто
перлитную структуру.
Ледебурит - это механическая смесь
аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава,
содержащего 4,3% С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в
перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита.
Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с
цементитом, смесь перлита с цементитом.
Графит представляет собой свободный
углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он
образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных
жидких или твердых растворов.
4. Какие стали
называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэвтектоидными?
Доэвтектоидные: содержат от 0,02
до0,8% углерода. Стали состоят из феррита (Ф) и перлита (П). Количество перлита
увеличивается, а феррита - уменьшается пропорционально увеличению содержания
углерода.
Заэвтектоидные: стали содержат
углерода более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который
расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по
границам зерен перлита. Содержание цементита вторичного в структуре
заэвтектоидной стали
. Индивидуальное задание
Полиморфизм железа.
Привести кривые охлаждения и нагрева для железа и дать характеристику всех
модификаций железа.
Способность одного и того же металла
образовывать несколько разных кристаллических структур называется
полиморфизмом. Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической
решетки и изменением объема вещества.
Рис. 6 - Кривые нагрева и охлаждения
железа
На рисунке 6
приведены кривые охлаждения и нагрева железа, характеризующие его полиморфные
превращения. При температурах ниже 910°C и выше 1392°C железо имеет
объёмно-центрированную кубическую решётку и обозначается б-Fe (феррит). При
температурах 910 - 1392°C оно переходит в кубическую гранецентрированную
модификацию, которая обозначается г-Fe (аустенит). Аустенит по сравнению с
ферритом много лучше растворяет углерод и устойчив до 1392°С. При этой
температуре возникает третья модификация - кубически объемно - центрированное
железо и обозначается д-Fe. С дальнейшим повышением температуры при 1536°С
достигается точка плавления.
При температуре
768°C (точка Кюри) происходит изменение магнитных свойств железа: до 768˚С
б-Fe ферромагнитно (обладает самопроизвольной намагниченностью), а выше -
парамагнитно (обладает положительной магнитной восприимчивостью).
Ферромагнетизм исчезает при температуре точки Кюри без какого либо изменения в
кристаллической структуре. Точка Кюри не обладает термическим гистерезисом,
т.е. при охлаждении железа ниже 768˚С ферромагнетизм восстанавливается. В
температурном интервале 768 - 910°C существует в-Fe, который отличается от б-Fe
параметрами кристаллической решётки и магнитными свойствами.
Вывод: Изучил превращения в сплавах системы железо-цементит и структуры
сталей различного состава в равновесном состоянии. Определил содержание
углерода в исследуемых сталях и их марки.