МАГНИТОГОРСК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г. И. НОСОВА»
КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
Методические указания к выполнению цикла лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 150501, 150101, 150103, 150104, 150105, 150106, 150108, 200503, дневн.и заочн. формы обучения
МАГНИТОГОРСК
Составители: Н.В. Копцева
А.Н. Емелюшин
Е.В. Петроченко
Ю.Ю. Ефимова
Железоуглеродистые сплавы: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 150501, 150101, 150103, 150104, 150105, 150106, 150108, 200503. Магнитогорск: МГТУ, 2009. – 51 с.
Реценэент Н.Г. Шемшурова
Емелюшин А.Н., Копцева Н.В., Петроченко Е.В., Ефимова Ю.Ю.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Лабораторная работа № 1. Изучение фазовых и структурных превращений в сплавах системы «железо – углерод» в зависимости от содержания углерода и температуры 2
2. Лабораторная работа № 2. Влияние углерода на микроструктуру углеродистой стали в равновесном состоянии 31
3. Лабораторная работа № 3. Изучение микроструктуры чугунов в равновесном состоянии 42
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И ТЕМПЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
При изучении дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» одним из важнейших разделов является металлография сплавов железа с углеродом – сталей и чугунов. Основой для изучения этих сплавов служит диаграмма фазового равновесия системы Fe – C. В указаниях рассматриваются метастабильная и стабильная диаграммы фазового состояния сплавов системы Fe – C; даются характеристики компонентов, фаз и структурных составляющих; рассматривается формирование микроструктуры всех групп сплавов, дается их классификация; указываются приемы быстрого и правильного вычерчивания диаграммы Fe – C.
Для проверки усвоения материала предлагаются контрольные вопросы.
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИАГРАММЫ
Научным фундаментом для построения диаграммы «железо – углерод» явились открытые в 1868 г. Д.К. Черновым критические точки стали, которые соответствовали определенным фазовым превращениям. В 1887 г. английский ученный Р. Аустен, используя данные многих исследований и свои собственные, представил одну из первых диаграмм системы «железо – углерод». В 1900 г. голландский ученый Г. Розебум на основании теоретических рассуждений и экспериментальных данных Р. Аустена, предложил более полную и точную диаграмму [1].
Самое большое сходство с современной диаграммой Fe – C имела диаграмма, построенная в 1906 г. шведским ученым Бенедиксом. В 1958 г. М. Хансен и К. Андерко [2], основываясь на критическом анализе новейших исследований, опубликовали компилятивную диаграмму фазовых состояний сплавов железа с углеродом.
Положение критических точек на диаграмме постоянно уточняется; общий вид современной диаграммы показан на рис. 1. Она построена для сплавов, содержащих до 6,67 % С, поскольку наибольшее практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5 %, и, кроме того, при 6,67 % С образуется химическое соединение карбид железа (Fe3C), который играет роль второго компонента и линия которого является как бы координатной осью диаграммы.
Рис. 1. Общий вид современной диаграммы Fe – C [3]
Ведутся исследования по созданию полной диаграммы фазового равновесия системы «железо – углерод» в интервале концентраций от 0 до 100 % С. Один из вариантов такой диаграммы представлен на рис.2 [4].
2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТОВ И ФАЗ
Компонентами в рассматриваемой системе является железо и углерод.
ЖЕЛЕЗО является полиморфным металлом, т.е. может существовать в нескольких полиморфных формах, различающихся кристаллическими решетками. Его температура плавления 1539°С. В интервале 1539 – 1392 °С существует дельта-железо (d - Fe или Fed) с кубической объемно центрированной решеткой (ОЦК). В интервале 1392 – 911 °С существует гамма-железо (g - Fe или Feg) с кубической гранецентрированной решеткой (ГЦК). Ниже 911 °С устойчивой модификацией является альфа-железо (a - Fe или Fea) с решеткой ОЦК. При 768 °С (точка Кюри) происходит магнитное превращение без изменения кристаллической решетки.
Рис. 2. Полная диаграмма фазового равновесия сплавов системы «железо – углерод» [4]
УГЛЕРОД также обладает полиморфизмом и имеет две кристаллические разновидности – графит и алмаз.
При сплавлении железа с углеродом кроме жидкой фазы образуются различные твердые фазы. В каждой из модификаций железа может растворяться определенное количество углерода, и при этом образуются твердые растворы типа внедрения, которые имеют специальные названия.
Дельта-феррит представляет собой твердый раствор углерода в дельта-железе с решеткой ОЦК. Максимальная растворимость углерода в d - Fe составляет 0,1 % при 1499 °С.
Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе с решеткой ГЦК. В g - Fe может раствориться до 2,14 % С при 1147°С.
Феррит (альфа-феррит) – твердый раствор углерода в альфа-железе с кристаллической решеткой ОЦК. Максимальная растворимость углерода в a - Fe составляет 0,025 % при 727 °С.
Все вышеперечисленные твердые растворы углерода в железе имеют высокую пластичность, относительно невысокую прочность и твердость.
Кроме перечисленных твердых растворов в системе «железо – углерод» образуются еще две высокоуглеродистые фазы.
Графит – модификация углерода с гексагональной кристаллической решеткой, слоистой структурой, низкими прочностными свойствами. Фаза стабильная, состоит почти на 100 % из атомов углерода. Температура плавления графита около 3600ºС.
Цементит – карбид железа (Fe3C) образуется при содержании 6,67 % С, представляет собой фазу внедрения и имеет сложную орторомбическую решетку; температура плавления 1260 ºС. Он является очень твердой и малопластичной фазой. Цементит – метастабильная фаза, которая способна распадаться при высокой температуре на железо и графит по реакции:
Fe3C 3Fe + Cгр.
Таким образом, в медленно охлажденных сплавах возможно образование одной жидкой и пяти твердых фаз. Условия образования и существования этих фаз описываются диаграммами фазового равновесия системы «железо – углерод». Поскольку в зависимости от условий охлаждения может образоваться или метастабильная высокоуглеродистая фаза – цементит, или стабильная – графит, существуют и две диаграммы фазового равновесия этой системы:
1) диаграмма метастабильного фазового равновесия или диаграмма Fe – Fe3C (железо – карбид железа); она обозначается сплошными линиями;
2) диаграмма стабильного фазового равновесия или диаграмма Fe – Cгр. (железо – графит); она обозначается пунктирными линиями.
Эти диаграммы обычно изображают на одном рисунке и получают совмещенную (полную) диаграмму или диаграмму с двойными линиями. Для лучшего усвоения фазовых превращений рассмотрим диаграммы раздельно.
3. ДИАГРАММА состояния Fe – Fe3C
(МЕТАСТАБИЛЬНОЕ РАВНОВЕСИЕ)
3.1. Общий вид диаграммы Fe – Fe3C
Метастабильную диаграмму (диаграмму «железо – цементит») применяют для описания фазовых превращений в сталях и белых чугунах. Общий вид диаграммы представлен на рис. 3. Поле диаграммы разделено линиями на области различного фазового состояния. Выше линии АВСД расположена область жидкой фазы (Ж); область AHN – область дельта-феррита (d-Ф); область NJESG – область аустенита (А); GPQ – область феррита (Ф); линия LD – область существования цементита (Fe3C). Таким образом, на диаграмме имеется пять однофазных областей. Остальные области двухфазные.
Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия системы Fe – Fe3C
Правильность расстановки фаз можно проверить, применив для каждой двухфазной области правило рычага: концы горизонтали, проведенной через фигуративную точку сплава, показывают составы фаз, находящихся в равновесии.
3.2. Характеристика линий и точек диаграммы
Множество линий на диаграмме свидетельствует о многообразии фазовых превращений, но при внимательном рассмотрении видно, что все геометрические образы этих превращений уже знакомы, встречались в других системах, рассмотренных ранее в теме «Двухкомпонентные системы».
Верхняя линия АВСД – линия ликвидуса или линия начала кристаллизации. Она состоит из трех частей:
АВ – линия начала кристаллизации дельта-феррита;
ВС – линия начала кристаллизации аустенита;
СД – линия начала кристаллизации цементита.
Линия AHJECF – линия солидуса или линия конца кристаллизации. Она также состоит из нескольких частей:
AH – линия конца кристаллизации дельта-феррита;
JE – линия конца кристаллизации аустенита;
HJB – линия перитектического превращения:
ЖB + d-ФH ® АJ;
ECF – линия эвтектического превращения:
ЖC ® АE+ Fe3CF
Остальные линии характеризуют превращения в твердом состоянии:
NH и NJ – линии начала и конца полиморфного превращения (при охлаждении):
d g;
GS и GP линии начала и конца полиморфного превращения (при охлаждении):
g a;
ES – линия начала выделения цементита из аустенита: А ® Fe3C (при охлаждении);
PQ – линия начала выделения цементита из феррита: А ® Ф (при охлаждении);
PSK – линия эвтектоидного превращения:
АS ® ФP + Fe3CK;
LD – линия химического соединения Fe3C (цементита);
MО – линия магнитного превращения феррита.
Физический смысл точек диаграммы:
A – температура плавления (кристаллизации) чистого железа;
С – эвтектическая точка;
D – температура плавления (кристаллизации) цементита;
N и G – температура полиморфных превращений железа;
H – точка предельной растворимости углерода в дельта-железе;
E – точка предельной растворимости в гамма-железе;
S – эвтектоидная точка;
P и Q – точки предельной растворимости углерода в альфа-железе.
Критические точки, соответствующие наиболее важным фазовым превращениям, а также температуры магнитных превращений условились обозначать буквой «А» с индексами:
А0 – точки на линии 210 °С или точка Кюри цементита;
А1 – точки на линии PSK (727 °С) или температура эвтектоидного превращения – нижняя критическаяточка сталей и чугунов;
А2 - точки на линии МО (768 °С) или точка Кюри железа;
А3 – точки на линии GS или температура начала полиморфного превращения g ® a при охлаждении (или конца превращения a ® g при нагреве) – верхние критические точки доэвтектоидных сталей;
А cm (читается «цэ – эм») – точки на линии ES или температура начала выделения цементита из аустенита при охлаждении (или конца растворения цементита в аустените при нагреве) – верхние критические точки заэвтектоидных сталей;
А4 – точки на линии NJ или температура конца полиморфного превращения d ® g при охлаждении (или конца превращения g ® d при нагреве).
Если критическая точка определена в процессе охлаждения, ставят дополнительно индекс «r» (Аr1, Аr3); если критическая точка определена в процессе нагревания, ставят индекс «с» (Ас1, Ас3). Эти дополнительные индексы необходимы потому, что имеет место гистерезис – запаздывание фазовых превращений, вследствие чего точки при нагреве и охлаждении не совпадают.
Координаты точек диаграммы Fe – Fe3C приведены в табл. 1.
3.3. Классификация сплавов системы Fe – Fe3C
Все сплавы железа с углеродом подразделяются на две группы – стали и чугуны. СТАЛИ – сплавы железа с углеродом в интервале от 0,025 до 2,14 %. ЧУГУНЫ – сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С. На диаграмме границей между сталью и чугуном является точка Е.
Таблица 1.
Координаты точек диаграммы Fe – Fe3C
| Обозначение точки | Содержание углерода, % | Температура, °С |
| A | ||
| B | 0,51 | |
| C | 4,3 | |
| D | 6,67 | |
| H | 0,1 | |
| J | 0,16 | |
| E | 2,14 | |
| F | 6,67 | |
| N | ||
| G | ||
| P | 0,025 | |
| S | 0,8 | |
| K | 6,67 | |
| Q | 0,008 | |
| L | 6,67 | |
| M |
Как видно из диаграммы, сталями являются сплавы, которые выше линии GSE являются однофазными; в таком состоянии они обладают высокой пластичностью, хорошо деформируются.
Чугунами являются сплавы, в которых при кристаллизации протекает эвтектическое превращение и образуется эвтектика. Поэтому они менее пластичны, но обладают хорошими литейными свойствами.
Чугуны бывают белые и серые. БЕЛЫЙ ЧУГУН – чугун, в котором при кристаллизации образуется аустенитно-цементитная эвтектика А + Fe3C. Фазовое равновесие в этих сплавах описывается метастабильной диаграммой. СЕРЫЙ ЧУГУН – чугун, в котором образуется аустенитно-графитная эвтектика А + СГР. Фазовое равновесие в этих сплавах описывается стабильной диаграммой (см. раздел 5).
В пределах каждой группы сплавов существует своя классификация.
Стали подразделяют на три группы:
доэвтектоидная сталь – сплавы, содержащие от 0,025 до 0,8 %С;
эвтектоидная сталь – сплавы с 0,8 % С;
заэвтектоидная сталь – сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14 %С.
Сплавы, содержащие углерода менее 0,025 %С называют техническим железом.
Белые чугуны также подразделяются на три группы:
доэвтектический белый чугун – сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %;
эвтектический белый чугун – сплав, содержащий 4,3 % С;
заэвтектический белый чугун – сплавы, с содержанием углерода более 4,3 и до 6,67 % С.
4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛЕЙ И БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИХ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
При рассмотрении кристаллизации какого-либо сплава необходимо провести из точки, отвечающей составу сплава, вертикаль до области жидкой фазы, обозначить все точки пересечения вертикали с линиями диаграммы, т.е. критические точки сплава, и, зная фазовые превращения в соответствующих точках, рассмотреть формирование микроструктуры сплава.
4.1. Кристаллизация и формирование микроструктуры сталей
Кристаллизацию и фазовые превращения в твердом состоянии рассмотрим на примере трех сталей – доэвтектоидной, заэвтектоидной и эвтектоидной.
4.1.1. Доэвтектоидная сталь
Рассмотрим превращение в доэвтектоидной стали, содержащей 0,16 % С (рис. 4, сплав I). Из диаграммы и кривой охлаждения следует, что сплав I имеет четыре критические точки: т.1 – точка ликвидуса; т.J – точка солидуса или точка перитектического превращения; т.2 – температура начала полиморфного превращения g ® a; т.3 – точка эвтектоидного превращения.
Рис. 4. Кривая охлаждения, схема кристаллизации и формирования микроструктуры
доэвтектоидной стали с 0,16 % С (сплав I)
Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с появлением кристаллов d-феррита состава т.4. В интервале между точками 1 – J продолжается образование и рост кристаллов d-феррита, состав которых меняется от т.4 до т.H. Одновременно с этим меняется состав жидкости от т.1 до т.В. Это можно записать следующим образом:
Ж1-B + ® d-Ф4-H.
В т.J произойдет перитектическое превращение:
ЖB + d-ФH ® АJ,
в результате которого возникнет новая твердая фаза – аустенит (см. рис. 4, горизонтальный участок J – J’ на кривой охлаждения).
От т.J до т.2 – охлаждение сплава (аустенита).
В т.2 по границам зерен аустенита начинается образование новой твердой фазы – феррита, состав которого определяется т.5 (т.е. происходит полиморфное g ® a превращение), которое продолжается в интервале температур 2-3. В этом интервале температур происходит рост кристаллов феррита, при этом его состав меняется от т.5 до т.Р, а состав аустенита изменяется от т.2 до т.S:
Ж5-Р ® А2-S.
В т.3 произойдет эвтектоидное превращение аустенита по реакции:
АS ® ФР + Fe3CK,
в результате чего образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлит. Образованию перлита отвечает горизонтальныйучасток 3-3’ на кривой охлаждения, т. к. превращение идет при постоянной температуре.
При охлаждении от т.3 до комнатной температуры вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите (в соответствии с линией PQ) выделяется небольшое количество третичного цементита, но в структуре он обычно не обнаруживается, т.к. объединяется с цементитом перлита.
Таким образом, в структуре сплава с 0,16 % С ниже т.3 и при комнатной температуре присутствуют две структурные составляющие: феррит и перлит.
Количество феррита и перлита можно определить по правилу рычага. Так, в сплаве I количество феррита QФ и перлита QП соответственно составит:
QФ = (3S / PS) · 100 % = (0,8 – 0,16)/0,8 · 100 % = 80 %;
QП = QА = (P3 / PS) · 100 % = (0,16 /0,8) · 100 % = 20 %
Изменение фазового состава и формирование микроструктуры доэвтектоидной стали с 0,16 % С показано на рис. 4. схемами рядом с кривой охлаждения.
4.1.2. Эвтектоидная сталь (0,8 %С)
На диаграмме рис. 4 этот сплав обозначен как сплав II. Он имеет три критические точки:
т.6 – точка ликвидуса или температура начала кристаллизации; начало образование зародышей кристаллов аустенита;
т.7 – точка солидуса или температура конца кристаллизации аустенита; ниже т.7 сплав состоит из зерен аустенита (так же, как на участке J – 2 в сплаве I);
т.S – температура эвтектоидного превращения аустенита в перлит; при этом эвтектоидные колонии феррито-цементитной смеси образуются по границам зерен аустенита, постепенно заполняя весь объем.
Ниже т.S структура эвтектоидной стали будет состоять из одной структурной составляющей – перлита (рис. 5).
Рис. 5. Схема микроструктуры эвтектоидной стали
(состоит из колоний перлита)
4.1.3. Заэвтектоидная сталь
Превращения при кристаллизации и в твердом состоянии рассмотрим на примере стали с 1,2 % С (сплав III на рис. 4). Сплав имеет четыре критические точки, которым соответствуют следующие превращения:
т.8 – начало кристаллизации аустенита из жидкой фазы;
т.9 – конец кристаллизации аустенита;
т.10 – начало выделения цементита из аустенита;
т.11 – температура эвтектоидного превращения.
Выше т.8 сплав находится в жидком состоянии. В т.8 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с образованием кристаллов аустенита состава т.8. В интервале температур от т.8 до т.9 количество аустенита увеличивается, состав его изменяется по линии солидуса от т.12 до т.9. Одновременно с этим изменяется и состав жидкой фазы от т.8 до т.13. В т.9 кристаллизация сплава заканчивается, и структура его будет состоять из одной фазы – аустенита (рис. 6, а).
Если кристаллизация происходит в равновесных условиях, т.е. при очень медленном охлаждении, то состав аустенита будет одинаковым в любой точке кристалла и будет соответствовать составу сплава. При непрерывной кристаллизации при ускоренном охлаждении в кристаллах аустенита может возникнуть химическая неоднородность, т.е. внутрикристаллическая ликвация. В результате внутренние объемы кристаллов аустенита будут иметь пониженное содержание углерода, близкое к составу т.12, а наружные – повышенное содержание углерода, вплоть до т.Е. Из последних объемов жидкой фазы возможно даже образование неравновесной эвтектики [5].
а б в
Рис. 6. Схема формирования микроструктуры заэвтектоидной стали с 1,2 % С: а – аустенит (структура в интервале температур от т.9 до т.10); б – аустенит и вторичный цементит (структура в интервале температур от т.10 до т. 11); в – перлит и вторичный цементит (структура ниже т.11)
В интервале между т.9 и т.10 происходит охлаждение аустенита.
В точке т.10 из аустенита начинается выделение цементита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры в соответствии с линией ES, которое продолжатся в интервале т.10 – т.11. Этот цементит, выделяющийся из аустенита, называют вторичным. Он выделяется в виде оболочки (сетки) вокруг зерен аустенита (рис. 6, б), а при ускоренном охлаждении – также внутри зерен в виде пластин (игл). По мере выделения цементита состав аустенита изменяется от т.10 до т.S.
В т.11 (при температуре 727 0С) произойдет эвтектоидное превращение аустенита в перлит по реакции
АS ® ФP + Fe3CK.
Окончательная структура рассматриваемого сплава ниже т.11 будет состоять из перлита и вторичного цементита (рис. 6, в).
Относительное количество структурных составляющих, в соответствии с правилом рычага, будет следующим:
QП = QА = (11K/ SK)·100 % = ((6,67 – 1,2) / (6,67 – 0,8)·100 % = 93 %;
QЦII = (11S / SK)·100 % = (1,2 – 0,8) / (6,67 – 0,8)·100 % = 7 %.
4.2. Кристаллизация и микроструктура белых чугунов
Кристаллизацию и превращения в твердом состоянии в белых чугунах рассмотрим по метастабильной диаграмме на примере трех сплавов: доэвтектического, эвтектического и заэвтектического.
4.2.1. Доэвтектический белый чугун
Рассмотрим сплав с 3 % С (сплав I на рис. 7). Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 (чуть ниже) начинается кристаллизация сплава с образованием кристаллов аустенита состава т.а.
При охлаждении от т.1 до т.2 увеличивается количество аустенита в сплаве, а состав его при этом меняется от т.а до т.E. Соответственно, уменьшается количество жидкой фазы и изменяется ее состав от т.1 до т.С. Например, в т.4 состав аустенита определяется т.b, а состав жидкой фазы – т.d (точнее – проекциями точек b и d на ось концентраций). Относительные количества фаз в т.4 по правилу рычага равны:
QА = (4d / bd) · 100 %; QЖ = (b4 / bd) · 100 %.
В т.2 произойдет эвтектическое превращение оставшейся жидкости с образованием эвтектики:
ЖC ® АE+ Fe3CF.
Рис. 7. Диаграмма Fe – Fe3C, кривая охлаждения сплава с 3 %C и схема формирования микроструктуры белого доэвтектического чугуна.
Эвтектическую смесь аустенита и цементита называют ледебуритом. Его количество будет таким же, каким было количество жидкой фазы в т.2:
QЛ = QЖ = (Е2 / ЕС) · 100 %.
После окончания кристаллизации структура этого сплава состоит из аустенита и ледебурита (рис. 7). В интервале от т.2 до т.3 происходит выделение из аустенита вторичного цементита, поскольку в этом интервале температур уменьшается растворимость углерода в аустените. Состав аустенита в этом интервале изменяется от т.E до т.S. В т.3 происходит эвтектоидное превращение всего аустенита, как первичного, так и входящего в эвтектику. В результате этого превращения весь аустенит переходит в перлит.
Ниже т.3 структура сплава состоит из перлита, сохранившего форму дендритов первичного аустенита, вторичного цементита и ледебурита, состоящего уже из перлита и цементита (рис. 7). Эта структура остается без изменения до комнатной температуры.
Все другие доэвтектические белые чугуны будут иметь аналогичную структуру, но с другим соотношением перлита и ледебурита.
4.2.2. Белый эвтектический чугун
Это сплав, в котором содержится 4,3 % C (сплав II на рис. 7). Кристаллизация сплава начнется и закончится при одной и той же температуре, соответствующей т.C, т.е. 1147 °С. Эвтектическое превращение по реакции
ЖC ® АE+ Fe3CF
приводит к образованию эвтектики – ледебурита (который может получиться пластиночным или сотовым [6, 7]). На рис. 8 показана схема строения пластиночного ледебурита.
От температуры 1147 °С (т.C) до 727 °С (т.5) состав аустенита меняется по линии ES и содержание углерода в нем уменьшается от 2,14 до 0,8 %. При этом выделяется вторичный цементит, но структурно свободным его можно и не обнаружить, т.к. он сливается с эвтектическим цементитом. Общее количество цементита в сплаве увеличивается.
В т.5 аустенит превратится в перлит, и после этого эвтектика (ледебурит) уже будет состоять из перлита и цементита (рис. 8, б). Такой будет структура и при комнатной температуре.
а б
Рис. 8. Схема микроструктуры белого эвтектического чугуна: а – ледебурит после кристаллизации (ниже т.С); б – ледебурит при комнатной температуре (ниже т.5)
4.2.3. Белый заэвтектический чугун
Рассмотрим сплав с 4,7 % С (сплав III на рис. 7).
В т.6 начинается кристаллизация сплава путем образования кристаллов первичного цементита (рис. 9, а). В интервале т.6 – т.7, вследствие выделения цементита, жидкая фаза обедняется углеродом, и состав изменяется по линии DC от т.6 до т.С.
В т.7 происходит эвтектическое превращение оставшейся жидкости и образование ледебурита по реакции
ЖC ® АE+ Fe3CF.
а б в
Рис. 9. Схема формирования микроструктуры белого заэвтектического чугуна
В интервале температур т.7 – т.8 аустенит ледебурита обедняется углеродом в соответствии с линией ES; при этом выделяется вторичный цементит, который присоединяется к уже имеющемуся цементиту и структурно-свободным не обнаруживается.
В т.8 происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием перлита, что показано штрихованием кристаллов бывшего аустенита на рис. 9, в.
Как показывает диаграмма Fe – Fe3C и рассмотренная схема, структурными составляющими этого сплава будут первичный цементит и ледебурит.
4.3. Характеристика структурных составляющих и структурная диаграмма сталей и белых чугунов
Подведем итоги рассмотренным выше фазовым превращениям в сталях и белых чугунах. Хотя все они привели к образованию в этих сплавах при комнатной температуре двух фаз – феррита и цементита, но, вследствие различных условий образования, количества и расположения этих фаз в разных сплавах получилась и разная структура. Структурными составляющими сталей и белых чугунов являются:
1. Аустенит – твердый раствор углерода в гамма-железе.
2. Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе. Имеет вид светлых зерен или светлой сетки.
3. Цементит первичный – карбид железа Fe3C, первым кристаллизующийся из жидкой фазы в заэвтектических чугунах. Имеет вид светлых пластин.
4. Цементит вторичный – карбид железа Fe3C,выделившийся из аустенита в сплавах, содержащих более 0,8 % С. Под микроскопом имеет вид светлой сетки, расположенной по границам зерен аустенита (перлита).
5. Цементит третичный – карбид железа Fe3C, выделяющийся из феррита в сплавах, содержащих более 0,008 % С. Структурно обнаруживается в техническом железе или низкоуглеродистых сталях в виде светлых включений по границам зерен феррита.
6. Ледебурит – эвтектика, состоящая при температурах выше 727°С из аустенита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита и цементита. Имеет вид пестрой составляющей и присутствует во всех белых чугунах. Содержит 4,3 % С.
7. Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Содержит 0,8 % С и имеет вид темной составляющей пластинчатого или зернистого строения.
Присутствие тех или иных структурных составляющих в разных сплавах показывают на диаграмме Fe – Fe3C («железо-цементит») и получают так называемую структурную диаграмму. Ее вид изображен на рис.10.
Как видно на структурной диаграмме, по мере увеличения содержания углерода микроструктура сплавов системы Fe-Fe3C изменяется следующим образом:
техническое железо (С < 0,025 %) – феррит или феррит и третичный цементит;
– доэвтектоидная сталь – феррит и перлит;
– эвтектоидная сталь – перлит;
– заэвтектоидная сталь – перлит и вторичный цементит;
– доэвтектический белый чугун – перлит, ледебурит и вторичный цементит;
– эвтектический белый чугун – ледебурит;
– заэвтектический белый чугун – первичный цементит и ледебурит.
5. Диаграмма стабильного фазового равновесия системы Fe – Cгр (диаграмма «железо – графит»)
При достижении стабильного фазового равновесия, которое наступает в условиях очень медленного охлаждения, высокоуглеродистая фаза всегда выделяется в виде графита. Внешний вид диаграммы стабильного фазового равновесия отличается от вида диаграммы Fe – Fe3C несколько иным расположением линий выделения графита: они расположены выше и левее, чем соответствующие линии выделения Fe3C диаграммы Fe – Fe3C. Эти линии обозначают пунктиром, а соответствующие буквы – со знаком «штрих». Остальные линии совпадают с линиями диаграммы Fe – Fe3C. Вид стабильной диаграммы Fe – Cгр показан на рис. 11, а координаты новых точек – в табл. 2.
Линии фазовых превращений:
C’D’ – начало кристаллизации графита из расплава;
E’C’F’– линия эвтектического превращения;
ЖC’ ® AE’ + CГР;
E’S’- начало выделения графита из аустенита;
P’S’K’- линия эвтектоидного превращения
АS’ ® ФP’ + CГР;
P’Q’ – начало выделения графита из феррита.
В реальных условиях кристаллизация сплавов и превращения в них в твердом состоянии могут протекать частично в соответствии со стабильной, частично – метастабильной диаграммами. Поэтому диаграммы стабильного и метастабильного равновесия обычно не разделяют, а изображают на одном рисунке.
Рис. 10. Структурная диаграмма сплавов системы Fe – Fe3C
Две совмещенные диаграммы называют диаграммой с двойными линиями. Ее вид и показан на рис. 11. Этой диаграммой пользуются при рассмотрении кристаллизации серых чугунов, получении ковких чугунов и графитизированной стали.
Рис. 11. Диаграмма «железо – углерод» с двойными линиями
Таблица 2
Координаты новых точек диаграммы Fe – Cгр
| Наименование точки | E’ | C’ | D’ | F’ | P’ | S’ | K’ | Q’ |
| Содержание углерода, % | 2,03 | 4,25 | 0,02 | 0,69 | 0,006 | |||
| Температура, °С |
6. Кристаллизация серых чугунов и превращения в них в твердом состоянии
Серыми чугунами называют чугуны, в которых весь углерод или часть углерода присутствует в структурно-свободном состоянии, т.е. в виде графита. В структуре этих сплавов ледебурит отсутствует. Название «серые» чугуны получили из-за присутствия графита, вследствие чего они имеют серый излом.
Чугуны, в которых наряду с графитом присутствует ледебурит, называют половинчатыми.
Графит может образоваться как при кристаллизации, так и после специальной термической обработки белого чугуна – графитизизующего отжига.
Условия образования графита характеризует диаграмма с двойными линиями (рис. 11). Она показывает, что кристаллизация графита при эвтектическом превращении может происходить, если жидкая фаза переохлаждена ниже 1153 °С. В интервале 1147 – 1153 °С эвтектическая кристаллизация будет протекать с образованием графита по реакции:
ЖC’ ® AE ’ + CГР.
Это достигается очень медленным охлаждением. Если расплав переохладить ниже 1147 °С, возможно образование как графита, так и цементита, но кристаллизация графита часто задерживается [8].
Эвтектоидное превращение при переохлаждении аустенита ниже линии P’S’K’ протекает по реакции:
АS’ ® ФP’ + CГР,
а ниже линии PSK – по реакции:
АS ® ФP + Fe3CК.
Первая реакция происходит в условиях очень медленного охлаждения и приводит к получению ферритографитной структуры, вторая – при ускоренном охлаждении и приводит к получению перлитографитной структуры. При некоторых промежуточных скоростях охлаждения возможно протекание обеих реакций эвтектоидного превращения с образованием ферритоперлитографитной структуры.
На образование графита и цементита оказывают влияние примеси и элементы, специально вводимые в чугун. Такие элементы, как кремний, алюминий, никель способствуют выделению углерода в виде графита и кристаллизации чугуна серым. Хром, марганец, сера и некоторые другие – затрудняют выделение графита и способствуют кристаллизации чугуна белым.
Рассмотрим кристаллизацию и формирование структуры серого чугуна с 3 % С. Это – сплав I на рис.12. Сплав имеет три критические точки:
Рис. 12. Диаграмма Fe-CГР и критические точки сплава I (3 % С)
т.1’ – начало кристаллизации, образование кристаллов аустенита;
т.2’ – эвтектическое превращение оставшейся жидкой фазы в аустенит и графит с образованием аустенитографитной эвтектики (рис. 13, а); в интервале т.2’ – т.3’ – происходит выделение вторичного графита из аустенита в соответствии с линией E’S’;
т.3’ – эвтектоидное превращение аустенита в ферритографитную смесь, в результате чего окончательная структура чугуна становится ферритографитной (рис. 13, б).
Эвтектоидный и вторичный графиты часто объединяются с эвтектическим и в структуре не обнаруживаются.
Если критический интервал температур 738 – 727 °С пройти более быстро, аустенит превратится в перлит, в результате чего получится перлитографитная структура (рис.13, в). При умеренных скоростях охлаждения образуется перлитоферритографитная структура (рис. 13, г).
Рис. 13. Структура серого чугуна при различных температурах и условия охлаждения
Таким образом, по строению металлической основы, которая формируется из аустенита, серые чугуны могут быть трех типов:
ферритный серый чугун ( Ф + Гр );
перлитный серый чугун ( П + Гр );
перлитоферритный серый чугун ( П + Ф + Гр ).
7. Методические указания к вычерчиванию диаграммы системы «железо-углерод»
Поскольку диаграмма «железо-углерод» является основой для изучения всех черных металлов – сталей и чугунов, каждый студент должен знать эту диаграмму наизусть: уметь вычертить диаграмму, помнить буквенные обозначения всех точек и их координаты, знать все линии фазовых превращений, уметь пользоваться диаграммой при рассмотрении превращений в сплавах и формировании их микроструктуры.
Ниже рекомендуются приемы быстрого и правильного вычерчивания диаграммы.
1. Начертить координатные оси (рис. 14). Ось абсцисс разбить на 7 равных частей, и обозначить на ней содержание углерода от 0 до 6 %. Ось ординат разбить на 16 равных частей и обозначить на ней температуру от 0 до 1500 °С.
Рис. 14. Координатные оси диаграммы Fe-Fe3C
2. Обозначить на оси температур критические точки железа:
1539 °С – температура плавления железа (т. А);
1392 °C – температура полиморфного превращения d-Fe ® g-Fe (т. N);
911 °С – температура полиморфного превращения g-Fe ®a-Fe (т. G), области существования разных модификаций показать фигурными скобками (см. рис. 14);
3. На оси концентраций найти точку 6,67 % С (т. L) и из не провести вертикаль LD до 1260 °С (т. D), отвечающую соединению Fe3C. Обозначить область существования фазы Fe3 C стрелкой (см. рис. 14).
4. Найти в левой части поля диаграммы точки предельной растворимости углерода в разных модификациях железа (рис. 15):
т. Н – 0,1 % С; 1499 °С;
т. Е – 2,14 % С; 1147 °С;
т. Р – 0,025 % С; 727 °C;
т. Q – 0,008 % С; 20 °C.
От этих точек провести горизонтальные линии:
НВ (т. В – 0,51 % С);
EF (т. F – 6,67 % С);
РК (т. К – 6,67 % С).
Рис. 15. Координатные оси, точки предельной растворимости и три горизонтали трехфазных равновесий диаграммы Fe-Fe3C
5. Найти на трех горизонтальны линиях критические точки трехфазного равновесия:
т. J – 0,16 % С, 1499 °С;
т. С – 4,3 % С; 1147 °С;
т. S – 0,8 % С, 727 °С (см. рис.15).
6. Обвести области существования трех твердых растворов (рис. 16):
Рис. 16. Области трех твердых растворов на диаграмме Fe – Fe3C
AHN – область дельта-твердого раствора или d-феррита;
NJESG – область гамма-твердого раствора или аустенита;
GPQ – область альфа-твердого раствора или a-феррита (феррита).
Указать в этих областях условные буквенные обозначения фаз:
d (или d-Ф), g (или А), a (или Ф).
7. Соединить верхние точки диаграммы и получить линию ликвидус ABCD (рис. 17). Над ней указать область жидкой фазы (Ж). Пользуясь правилом рычага, расставить фазы в двухфазных областях диаграммы, помня о том, что в них находятся в равновесии те фазы, области которых соседствуют с этой двухфазной областью.
Рис. 17. Диаграмма фазового равновесия системы Fe – Fe3
8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Изобразите совмещенную диаграмму системы «железо-углерод» (диаграмму с двойными линиями), расставьте фазы и опишите фазовые превращения в этой системе.
2. Изобразите структурную диаграмму системы Fe – Fe3С и опишите формирование микроструктуры эвтектоидной стали и белого эвтектического чугуна.
3. По структурной диаграмме системы Fe – Fe3С опишите формирование микроструктуры доэвтектоидной стали и белого доэвтектического чугуна.
4. С помощью структурной диаграммы системы Fe – Fe3С опишите формирование микроструктуры заэвтектоидной стали и белого заэвтектического чугуна.
5. По диаграмме Fe – C с двойными линиями и опишите формирование микроструктуры серого чугуна эвтектического состава.
6. Определите на диаграмме Fe – Fe3С с помощью правила рычага относительное количество фаз и структурных составляющих в сплавах с 0,4 %С и 3,4 %С при комнатной температуре.
7. Используя правило фаз (C = K – f + 1), начертите кривые охлаждения сплавов с 0,2 %С и 1,2 %С и объясните, какие фазовые превращения протекают в точках перегиба кривой.
8. Дайте определение всем структурным составляющим сплавов железа с углеродом и изобразите схематически их вид.
9. Дайте характеристику всем линиям и точкам диаграммы «железо-углерод».
10. Дайте классификацию сплавов железа с углеродом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тыркель Е. История развития диаграммы «железо-углерод». М.: Машиностроение, 1968.
2. Хансен М., Андерко К. Строение бинарных сплавов: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1962.
3. Грачев С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Екатеринбург: Изд-во Уральского технического ун-та, 2001.
4. Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. М.: Наука, 1969.
5. Новиков И.И., Золотаревский В.С. Дендритная ликвация в сплавах. М.: Наука, 1966.
6. Бунин К.П., Иванцов Г.И., Малиночка Я.Н. Структура чугуна. М.: Л.: Машгиз, 1952.
7. Бунин К.П., Малиночка Я.Н, Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969.
8. Бунин К.П., Таран Ю.Н. Строение чугуна. М.: Металлургия, 1972.
Лабораторная работа № 2
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА МИКРОСТРУКТУРУ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ
ВВЕДЕНИЕ
Углеродистая сталь находит самое широкое применение. Из нее изготовляют различные строительные конструкции, детали машин, инструмент. Такое разнообразное применение стали обусловлено широким диапазоном ее свойств, которые в первую очередь определяются содержанием углерода, изменяющим ее микроструктуру.
Формирование микроструктуры углеродистой стали в условиях медленного охлаждения рассмотрено при изучении диаграммы состояния сплавов системы «железо-углерод».
Цель настоящей работы – практическое изучение микроструктуры углеродистой стали с различным содержанием углерода, полученной в условиях медленного охлаждения, а также некоторых особенностей микроструктуры, образовавшихся в реальных условиях обработки.
- ХАРАКТЕРИСТИКА ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ СТАЛИ
Углеродистой сталью называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 0,025 до 2,14 % [1]. Эти сплавы располагаются в интервале концентраций от точки P до точки Е на диаграмме Fe – Fe3С (см. рис. 10).
По содержанию углерода сталь подразделяется на доэвтектоидную (С = 0,025 – 0,8 %), эвтектоидную (С = 0,8 %), заэвтектоидную (С от 0,8 до 2,14 %).
При комнатной температуре все стали состоят из двух фаз – феррита и цементита. Однако в сталях с разным содержанием углерода эти фазы образуются из аустенита при разных условиях и при микроструктурном исследовании их определенное взаиморасположение дает так называемые структурные составляющие; структурно-свободный феррит, перлит, структурно-свободный цементит.
Феррит – твердый раствор углерода в альфа-железе. Максимальная растворимость углерода в феррите при 727 ºС составляет примерно 0,03 % и с понижением температуры уменьшается до тысячных долей процента. Феррит имеет невысокую твердость (НВ = 800-1000 МПа) и высокую пластичность. Под микроскопом наблюдается в виде светлых зерен неправильной, преимущественно округлой формы с тонкими темными границами. Окраска зерен может быть неоднородной: одни выглядят более светлыми, другие – более темными. Это объясняется различной кристаллографической ориентировкой зерен в плоскости шлифа, в результате чего они по-разному травятся.
На рис. 18 показан вид феррита под оптическим микроскопом.
Рис. 18. Микроструктура феррита: светлые (белые) зерна разных оттенков (стрелкой указан вторичный цементит)
Цементит – химическое соединение, по составу соответствующее формуле Fe3C. Это – карбид железа, который имеет высокую твердость (НV = 8000 МПа) и малую пластичность. После обычного травления микрошлифа цементит, как и феррит, имеет под микроскопом вид светлых участков. Но цементит растворяется в кислоте слабее, чем феррит, и поэтому он всегда возвышается над окружающим ферритом. Кроме того, поверхность цементитных участков обычно остается гладкой и блестящей даже при сильном травлении, в то время как ферритные участки сильно разъедаются кислотой, становятся шероховатыми и частично окрашиваются.
Условия образования цементита описывает диаграмма Fe – Fe3C (см. рис. 3). В сталях может быть три структурных вида цементита: вторичный цементит – выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях в соответствии с линией SE, имеет вид светлой сетки; эвтектоидный цементит – образуется при эвтектоидном превращении и входит в состав перлита; третичный цементит – выделяется из феррита в соответствии с линией PQ, и его можно обнаружить вместе с ферритом в виде светлых включений по границам ферритных зерен (рис. 18).
Перлит – ферритокарбидная смесь, состоящая из последовательно чередующихся пластинок феррита и цементита. В этой смеси феррита в 7 раз больше, чем цементита, поэтому ширина пластинок феррита примерно в семь раз больше ширины пластинок цементита. Межпластиночное расстояние может быть разным в зависимости от скорости охлаждения. В связи с этим по степени дисперсности ферритокарбидной смеси различают грубопластинчатый, среднепластинчатый и тонкопластинчатый перлит. Под микроскопом он имеет разные оттенки.
На рис. 19, а показана структура пластинчатого перлита. Более равновесной структурой является зернистый перлит, в котором цементит имеет форму округлых зернышек (рис. 19, б). Он получается при очень медленном охлаждении и выдержке в субкритическом интервале температур. Для получения зернистого перлита необходимо нагреть сталь чуть выше А1 (760-780 °С), дать выдержку при этой температуре, а затем медленно охладить со скоростью 30-40 град/час до температуры 600 °С.
а б
Рис. 19. Микроструктура перлита: а – перлит пластинчатый; б – зернистый перлит
При нагреве чуть выше Ас1, получается негомогенный аустенит, в котором остается большое число нерастворенных частиц цементита – центров кристаллизации. При последующем медленном охлаждении такого аустенита образуется перлит с зернистой формой цементита.
Зернистый перлит можно получить путем длительной выдержки пластинчатого перлита при субкритических температурах за счет сфероидизации пластинок цементита.
2. МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ
Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Основой для определения микроструктуры сталей в равновесном состоянии является диаграмма «железо-углерод». Согласно этой диаграмме, в сплавах с содержанием углерода менее 0,008 % структура состоит из феррита, при содержании углерода от 0,008 до 0,025 % – из феррита и третичного цементита. Сплав с таким содержанием углерода называют техническим железом или армко-железом.
В структуре сплавов, содержащих углерода более 0,025 %, наряду с ферритом появляется перлит. Структура любой доэвтектоидной стали состоит из перлита и феррита, но соотношение этих составляющих меняется в зависимости от содержания углерода: чем больше в стали углерода, тем больше в ее структуре перлита. Это иллюстрирует рис. 20.
а б в
Рис. 20. Микроструктура доэвтектоидной стали: а – 0,2 % С; б – 0,4 % С; в – 0,6 % С. Светлые зерна – феррит; темные – перлит
По количеству феррита и перлита в структуре доэвтектоидной стали, находящейся в равновесном (отожженном) состоянии, можно ориентировочно определить среднее содержание углерода. Для этого достаточно определить относительное количество перлита на площади шлифа.
Содержание углерода в стали определяется по формуле
% С = 0,8·П,
где П – площадь, занятая перлитом (в долях единицы);
0,8 – содержание углерода в перлите, %.
(Примечание: содержанием углерода в феррите пренебрегаем).
Микроструктура эвтектоидной стали состоит из одного перлита (см. рис. 19). В структуре заэвтектоидных сталей наряду с перлитом появляется вторичный цементит, который в медленно охлажденной стали имеет вид светлой сетки, расположенной по границам бывших зерен аустенита (рис. 21).
Рис. 21. Микроструктура заэвтектоидной стали: темные зерна – пластинчатый перлит, светлая сетка – вторичный цементит.
3. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ
РЕАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Микроструктура реальных изделий из углеродистой стали – отливок, прокатных заготовок, поковок, штамповок или готовых деталей – может не всегда отвечать той, какая получается в равновесных условиях при охлаждении из аустенитного состояния. На нее влияют исходное состояние аустенита, из которого формируется микроструктура любой углеродистой стали, скорость охлаждения в интервале критических температур, условия горячей деформации, специальная обработка.
Наиболее часто встречающимися отклонениями от равновесной структуры являются строчечная структура и видманштеттовая.
3.1. Строчечная структура доэвтектоидной стали
Так называют структуру, в которой феррит и перлит располагаются в виде чередующихся строчек или полос (рис. 22). Основной причиной появления строчечности является горячая прокатка металла в двухфазной области, т.е. в интервале температур Аr3 – Аr1. Прокатка в таком температурном интервале приводит к вытягиванию зерен феррита и аустенита вдоль направления прокатки. При последующем охлаждении вытянутые зерна аустенита перейдут в перлит, образуя строчки, а между ними окажутся зерна рекристализованного феррита.
Рис. 22. Строчечная структура доэвтектоидной стали: феррит (светлый) и перлит (темный) в виде строчек.
Строчечная структура может быть вызвана наличием неметаллических включений, вытягивающихся при прокатке вдоль направления прокатки. В этом случае при последующем охлаждении доэвтектоидной стали в интервале температур Аr3 – Аr1 выделение феррита происходит возле неметаллических включений, и поэтому он тоже оказывается вытянутым вдоль направления прокатки.
Третьей причиной образования строчечной или полосчатой структуры может явиться ликвация примесей, особенно кремния [2].
Строчечная структура чаще всего наблюдается в листовой горячекатаной стали. Она создает неоднородные механические свойства вдоль и поперек направления прокатки, ухудшает обрабатываемость стали резанием и вызывает массовый брак при холодной штамповке. Особенно вредна строчечность, связанная с неметаллическими включениями и ликвацией, т.к. она является неустранимым браком прокатанной стали.
Строчечность, вызванную прокаткой стали при пониженных температурах, можно устранить термической обработкой – отжигом или нормализацией.
3.2. Видманштеттовая структура стали
Видманштеттовой называют структуру с иглообразными (пластинчатыми) формами избыточных структурных составляющих: феррита – в доэвтектоидной стали и вторичного цементита – в заэвтектоидной стали (рис. 23). Название она получила от имени немецкого ученого Видманштеттена, обнаружившего такую структуру в метеоритном железе.
а б
Рис. 23. Видманштеттовая структура в доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) стали.
Причиной образования видманштеттовой структуры является выделение избыточных фаз не по границам зерен, как это имеет место в равновесных условиях, а по определенным кристаллографическим плоскостям внутри зерен аустенита в форме игл или пластин. Такое явление имеет место в гомогенном крупнозернистом аустените при его ускоренном охлаждении на 60-80 °С ниже Ас3 или А сm.
Видманштеттовая структура характерна для литых и перегретых сталей, а также для сварных швов. Она является нежелательной, т.к. снижает пластичность и вязкость. Исправить структуру таких сталей и изделий можно отжигом или нормализацией.
3.3. Структура графитизированной стали
Графитизированной называют эвтектоидную сталь, в которой часть углерода находится в виде графита. Графит получается за счет частичного разложения вторичного цементита при графитизирующем отжиге по режимам, аналогичным отжигу ковкого чугуна, поэтому графитизирующиеся стали должны иметь высокое содержание углерода и кремния, который повышает способность к графитизации. В отожженном состоянии микроструктура графитизированной стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых (точечных) графитных включений. Графит, обладающий свойствами смазки, предотвращает сухое трение и схватывание и сообщает стали износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства и способность к поглощению вибраций. Графитизированную сталь применяют вместо бронзы для изготовления вкладышей подшипников скольжения, а также других деталей, работающих на износ.
4. ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
При выполнении работы необходимо:
1. Повторить диаграмму Fe – Fe3C.
2. Изучить коллекцию микрошлифов стали, характеристика которых приведена в табл. 3, и зарисовать типичные структуры.
3. Научиться определять содержание углерода по микроструктуре.
Методическое указание 1. К выполнению работы допускаются студенты, изучившие диаграмму «железо-углерод». Изучение микроструктур стали производится путем рассматривания заранее приготовленных шлифов под микроскопом и зарисовки этих структур (карандашом) с указанием стрелками всех структурных составляющих. При этом по ранее описанным признакам необходимо научиться различать феррит и структурно-свободный цементит.
Методическое указание 2. Определение содержания углерода по микроструктуре производится на одном из шлифов доэвтектоидной стали. Визуально или с помощью окуляр-микрометра (окуляр 7х) определяется площадь, занятая перлитом, и по формуле, указанной в п. 2, подсчитывается ориентировочно содержание углерода в стали.
5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
В отчете привести следующие данные:
1. Диаграмму состояния Fe – Fe3C (рис. 3 или рис. 17) с указанием на ней положения изученных сплавов.
2. Определение структурных составляющих сталей и характеристика их свойств.
3. Зарисовки микроструктур изученных сплавов с указанием структурных составляющих, марки стали и содержания углерода.
4. Определение содержание углерода по микроструктуре одного из образцов доэвтектоидной стали.
5. Описание условия получения эвтектоидной стали с пластинчатым и зернистым перлитом.
6. Описание условия получения полосчатой и видманштеттовой структуры и графитизированной стали.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте классификацию углеродистой стали по микроструктуре.
2. Дайте характеристику структурным составляющим углеродистой стали.
3. Определите относительное количество перлита в сплаве с 0,20 % С.
4. Дайте характеристику пластинчатому и зернистому перлиту, изобразите схематически их вид и объясните, при каких условиях они получаются.
5. Каковы причины появления строчечной структуры в сталях? Каково влияние строчечной структуры на свойства стали?
6. Дайте характеристику видманштеттовой структуры. Каковы условия ее появления и влияние на свойства?
7. Какова структура заэвтектоидной стали, при каких условиях в ней может образоваться графит?
8. Что такое вторичный и третичный цементит, каковы их микроструктурные признаки?
9. По диаграмме Fe – Fe3C определите, сколько вторичного цементита содержится в стали с 1,3 % С; изобразите схематически микроструктуру этого сплава.
Таблица 3
Описание микроструктуры коллекции образцов углеродистой стали в равновесном состоянии с разным содержанием углерода
| Номер образца | Марка сплава | С, % | Описание микроструктуры |
| Армко- железо | 0,03 | Технически чистое железо. Светлые зерна феррита; местами по границам зерен – третичный цементит | |
| 0,10 | Доэвтектоидная сталь. Светлые зерна – феррит, темные – перлит | ||
| 0,20 | То же, что и в образце 1, но перлита больше | ||
| 0,30 | То же, что и в образцах 1, 2, но перлита больше | ||
| 0,40 | То же, что и в образцах 1-3, но перлита больше | ||
| 0,50 | То же, что и в образцах 1-4, но перлита больше | ||
| 0,65 | Доэвтектоидная сталь. Перлит и феррит. Феррит располагается в виде светлой сетки по границам зерен перлита | ||
| 0,45 | Доэвтектоидная сталь. Строчечная структура | ||
| 0,45 | Доэвтектоидная сталь. Видманштеттовая структура. Феррит в виде пластин и игл | ||
| У8 | 0,80 | Эвтектоидная сталь. Пластинчатый перлит. Колонии перлита имеют разные оттенки | |
| У8 | 0,80 | Эвтектоидная сталь. Зернистый перлит. Округлые зернышки цементита расположены в ферритной массе | |
| У12 | 1,20 | Заэвтектоидная сталь. Видманштеттовая структура. Темное поле – перлит, светлая сетка и иглы – вторичный цементит | |
| У12 | 1,20 | Заэвтектоидная сталь. Перлит и вторичный цементит. Цементит – в виде светлой сетки вокруг зерен перлита |
Библиографический список
1. Грачев С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Екатеринбург: Изд-во Уральского технического ун-та, 2001.
2. Металлография железа / Под ред. Ф.Н. Тавадзе. М.: Металлургия, 1972. Т.П.: Структур