3826

Изучение структуры углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Изучение структуры углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии Химически чистые металлы обладают низкой прочностью, поэтому в технике их применяют сравнительно редко. Наиболее широко используют сплавы - вещества, полученные сплавлением...

Русский

2012-11-08

72.5 KB

67 чел.

Изучение структуры углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии

Химически чистые металлы обладают низкой прочностью, поэтому в технике их применяют сравнительно редко. Наиболее широко используют сплавы - вещества, полученные сплавлением (спеканием порошков, электрическим осаждением или др. методами) двух и более химических элементов. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Компоненты образуют систему; например, железо и углерод образуют систему Fe–C, охватывающую всю совокупность данных сплавов. Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - остаются важнейшими конструкционными и инструментальными материалами современной техники со значительным диапазоном применения.

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% С.

Металлический сплав характеризуется определенным химическим составом, фазовым составом и внутренним строением (микроструктурой). Фазой называют однородную составную часть сплава, имеющую одинаковое атомно-кристаллическое строение, одинаковый состав и отделенную от других фаз (частей) поверхностью раздела. Под структурой (микроструктурой) понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз (если структура не однофазная), размер и форму зерен. Структура сплава характеризуется также структурными составляющими, под которыми понимают обособленные части сплава, состоящие из одной и более фаз, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Однофазную структуру называют гомогенной, а двухфазную и более - гетерогенной. Если сплав – однофазный, то тогда фаза и структурная составляющая - синонимы. Если сплав – гетерогенный, то число фаз и структурных составляющих может быть различным. Строение сплава зависит от физико-химических процессов, протекающих в них в результате перехода из жидкого состояния в твердое (кристаллизации), а также фазовых превращений, которые могут происходить в твердом состоянии (вторичная кристаллизация - фазовая перекристаллизация).

В твердом состоянии компоненты сплава могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения или взаимно растворяться друг в друге, образуя твердые растворы. В твердом состоянии может не быть химического взаимодействия или взаимной растворимости между компонентами. Тогда строение сплава является механической смесью отдельных зерен обоих компонентов.

Представления обо всех превращениях, протекающих в сплавах при изменении концентрации компонентов и температуры, дает диаграмма состояния - графическое изображение состояния сплава в координатах температура - концентрация. Диаграмму состояния строят с помощью прямых экспериментальных методов. Ее называют также диаграммой равновесия, т.к. она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В производственных условиях для получения сплавов в равновесном состоянии проводят термическую обработку – отжиг. Диаграмма состояния cистемы железо-углерод (Fe-Fe3C) показана на рис 2.

Компоненты, фазы и структурные составляющие в системе Fe-C

Железо (Fe). Температура плавления 15390С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Кристаллическая решетка α -железа существует при температуре ниже 9110С и выше 1392 0С. В интервале температур 1392-15390С α -железо обозначают как δ -железо. Кристаллическая решетка Fe-α - объемно-центрированная кубическая (ОЦК). При температуре 768 0С (точка Кюри) Fe-α испытывает магнитное превращение, т.е. переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и обратное - при охлаждении. Fe-γ существует в интервале температур 911-1392 0С, оно - парамагнитно. Кристаллическая решетка Fe-γ - гранецентрированная кубическая (ГЦК). Плотность железа – 7,86 г/см3. Оно обладает невысокой твердостью и прочностью: НВ=800 МПа, σВ=250 Мпа и хорошей пластичностью: δ=50%, ψ=80%. На диаграмме состояния Fe-C чистому железу отвечает линия ANGO (она же - ось температур).

Углерод (С) - неметаллический элемент, в природе

встречается в виде двух полиморфных модификаций: в форме алмаза, имеющего сложную кубическую решетку и в виде графита, имеющего гексагональную решетку. Плотность графита 2,25 г/см3. Предел прочности графита увеличивается при повышении температуры с 20 Мпа при 200С до 40 Мпа при 25000С. Обладает высокой электропроводностью. При нагреве до 36500С начинается сублимация графита (превращение в газообразное состояние, минуя жидкое состояние). Углерод растворяется в железе в жидком и твердом состоянии. Характерной особенностью углерода является его способность образовывать карбиды, с помощью которых можно достигать значительного упрочнения сталей (так называемое карбидное упрочнение).

В системе Fe-C различают четыре фазы, которым соответствуют четыре однофазные области: жидкость, феррит, аустенит и цементит. Жидкость (Ж) - жидкий раствор углерода в железе, характеризуется наличием ближнего порядка. Феррит (Ф)- твердый раствор углерода в α-железе, имеет ОЦК решетку. Атомы углерода располагаются в междоузлиях (порах) в середине ребер кристаллической решетки железа, образуя твердый раствор внедрения. Растворимость углерода в α-железе при 20 0С составляет 0,006% (т.Q). При повышении температуры растворимость углерода увеличивается, достигая максимального значения при t-ре 7270С (т.Р) - 0,02%. Свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа. Аустенит (А) - твердый раствор углерода в γ -железе. Атомы углерода в решетке γ-железа располагаются в поре в центре элементарной ячейки, образуя также твердый раствор внедрения. Предельная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14% при температуре 11470С (т.Е). Аустенит немагнитен, обладает высокой пластичностью, низкой прочностью. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом Fe3C. Содержание углерода в цементите постоянно и равно 6,67%. Цементит имеет сложную орторомбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита ~12500С. Цементит имеет высокую твердость (НВ=8000МПа) и практически нулевую пластичность. Остальные области на диаграмме состояния Fe-C являются двухфазными.

Структурными составляющими углеродистых сталей являются феррит, аустенит, цементит и перлит.

Линии диаграммы состояния Fe-C, определяют процесс кристаллизации сплавов, имеют буквенные обозначения и определенный физический смысл.

ABCD - линия ликвидус (от лат. жидкий) - соответствует температуре начала кристаллизации жидких сплавов в зависимости от их состава. AHJECF - линия солидус (от лат. твердый) - указывает температуру конца затвердевания сплавов. Температурный интервал между линиями ликвидус и солидус называют интервалом первичной кристаллизации. Диаграмма состояния Fe-C позволяет проследить процесс кристаллизации двух промышленных сплавов - сталей и чугунов (чугуны рассмотрены в работе № 6). При 7270С (горизонталь PSK) в системе железо-углерод протекает эвтектоидное превращение, которое заключается в том, что аустенит, содержащий 0,8%С распадается на две фазы – феррит и цементит. Эту механическую смесь называют перлитом. Эвтектоидное превращение записывают следующим образом:

   АS  П [ ФР + ЦК]   или

   А0,8  П [Ф0,02 + Ц 6,67 ].  

Особенности эвтектоидного превращения:

1) Превращение протекает в твердом состоянии;

  2) в превращении участвуют три фазы - аустенит, феррит и цементит;

  3) одновременно при охлаждении кристаллизуются две фазы - феррит и цементит;

  4) температура превращения (7270С) и концентрация углерода в фазах, участвующих в реакции, всегда постоянны;

  1.   температура эвтектоидного превращения меньше температуры кристаллизации фаз, участвующих в реакции;
  2.   вторичная кристаллизация железоуглеродистого сплава любого состава при пересечении линии PSK завершается эвтектоидным превращением, т.е. оно протекает во всех углеродистых сталях и чугунах;
  3.   продукт превращения –эвтектоид - механическая смесь двух твердых фаз: феррита и цементита, содержащая 0,8%С - называют перлитом (П);
  4.   превращение протекает как при охлаждении, так и при нагреве, но в противоположном направлении, с превращением перлита в аустенит;
  5.   механизм превращения является диффузионным.

Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе. На травленом шлифе зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита и имеет блеск перламутра, отсюда и название «перлит» (от франц. жемчуг).

В зависимости от содержания углерода в сплаве в соответствии с диаграммой   состояния Fe - C углеродистые стали классифицируют по структуре в равновесном состоянии на:

доэвтектоидные с содержанием углерода более 0,02, но менее 0,8%, имеющие структуру феррита и перлита; Сплавы, содержащие углерода менее 0,02 % (левее т.Р), называют техническим железом.

эвтектоидную, содержащую ровно 0.8% углерода со структурой перлита;

заэвтектоидные, содержащие углерода более 0,8, но менее 2,14 %, имеющие структуру перлита и вторичного цементита. (Вторичный цементит выделяется в виде сетки вокруг зерен перлита.)

В реальных условиях охлаждения структуру, близкую к равновесной, получают после отжига. Отжиг – это термическая обработка, которая заключается в нагреве сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. (Выключают печь. Заготовки, готовые изделия или образцы охлаждаются вместе с печью. Таким образом добиваются максимально возможной низкой скорости охлаждения, чтобы приблизить структуру стали или другого какого-либо сплава к равновесному состоянию)

С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях повышается прочность и твердость, но снижается пластичность, что связано с ростом доли перлита. По микроструктуре доэвтектоидных сталей можно достаточно точно определить содержание углерода:

,

где S - площадь, занимаемая перлитом в процентах от всей площади шлифа, видимого в микроскопе. Например, площадь, занимаемая перлитом, составляет 50%.

Тогда: С,% = (0,8´50) : 100 = 0,4%.

 

В заэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода увеличивается твердость, износостойкость, немного прочность, пластичность уменьшается. Для повышения пластичности и улучшения обрабатываемости режущим инструментом заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу (сфероидизации), при котором весь цементит выделяется в виде зерен. Такую структуру называют зернистым перлитом.

При перегреве стали, что бывает при ковке, а также в литой стали структура состоит из крупных зерен перлита и феррита. Иногда ферритные выделения (реже вторичный цементит в заэвтектоидной стали) имеют вид игл. Такую структуру называют видманштеттовой. Сталь с видманштеттовой структурой, также как и крупнозернистая, имеет низкую прочность, пластичность и ударную вязкость. Исправить нежелательную структуру, т.е. превратить ее в мелкозернистую можно, проведя отжиг с фазовой перекристаллизацией.

По назначению углеродистые стали в зависимости от содержания углерода классифицируют на конструкционные (менее 0,65%С) и инструментальные (более 0,7% С). Углеродистые конструкционные стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные ( рис.3). Качество стали зависит от содержания вредных примесей: серы и фосфора.

Углеродистые стали

 

       По назначению

конструкционные

%C£ 0,65 <%С

инструментальные

          

обыкновенного качества

качественные

высококачественные

качественные

высококачественные

S и P

> 0,05%

S и Р

£0,04%

S и Р

£0,03%

S и Р

£0,04%

S и Р

£0,03%

А

Б

В

Примеры маркировки:

СТ3кп2

сталь 45

сталь 45А

У8; У12

У8А; У12А

БСТ1сп2

ВСТ4кп3

Рис.3. Классификация углеродистых сталей

по назначению и по качеству.

Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и цифрами от 0 до 6 (условный номер марки). Перед маркой стали указывают группу А, Б или В ( букву А не пишут). Группа А указывает на гарантированные механические свойства, Б - на гарантированный химический состав, С - на гарантированные механические свойства и химический состав. За условным номером пишут буквы КП, СП или ПС, обозначающие способ раскисления стали: КП-кипящая, СП-спокойная, ПС-полуспокойная (например, ВСТ4КП или БСТ1СП). Стали обыкновенного качества применяют для строительных конструкций и неответственных малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса).

Качественные углеродистые конструкционные стали маркируют словом сталь и цифрами 05, 08, 10, 15, 20...65, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 05 - содержит 0,05% С; сталь 45А - содержит 0,45%С, (буква А означает высококачественную сталь). Малоуглеродистые стали 05КП и 08КП применяют в виде листов для штамповки, например, кузовов автомобилей. Малоуглеродистые стали 10...25 применяют для ответственных сварных конструкций, а также деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали 45, 50 применяют для изготовления деталей, подвергающихся большим нагрузкам (коленчатые валы автомобильных двигателей). Высокоуглеродистые стали 55, 60, 65 применяют для изготовления пружин и рессор.

Инструментальных сталей обыкновенного качества не выплавляют. Их маркируют буквой У (углеродистая) и цифрой, которая показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 (0,7%С),…У13 (1,3%С). Сталь с содержанием 0,7% углерода используют в некоторых случаях как конструкционную (сталь 70). Инструментальные стали предназначены для изготовления мерительного и режущего инструмента, штампов.

Порядок выполнения работы.

Для выполнения работы студент получает набор шлифов: сталь 20, сталь 45, сталь 70, два образца стали У12, перегретую сталь 45 и литую сталь 30Л. Все шлифы протравлены 4% раствором НNO3 в спирте.

Студенты должны исследовать под микроскопом структуру полученных образцов, зарисовать ее, указать фазы и структурные составляющие; в доэвтектоидных сталях определить по микроструктуре содержание углерода. Сравнить структуру стали У12 после отжига на пластинчатый и зернистый перлит. Сравнить равновесную и видманштеттовую структуры в стали 45.

Вопросы к лабораторной работе № 4.

Какое превращение происходит в чистом железе при температуре 911 0С?

Какую кристаллическую решетку имеют Fe - α и Fe - γ?

Что такое кристаллизация, перекристаллизация?

Какое превращение протекает в сталях при температуре 727 0С? Что образуется в стали при эвтектоидном превращении ?

Что такое аустенит, феррит, цементит, перлит?

Какую кристаллическую решетку имеет феррит, аустенит и цементит?

Какая равновесная структура у доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей?

Как зависят механические свойства углеродистой стали от содержания углерода?

Когда в стали образуется видманштеттовая структура, и как ее появление отражается на механических свойствах ? Можно ли исправить такую структуру, каким образом?

Как классифицируют стали по назначению и качеству ?

Что такое сплав, компонент, фаза, структурная составляющая?

После какой термической обработки сталь имеет равновесную структуру?

Что такое отжиг на зернистый перлит и для каких сталей его обычно применяют?

Для чего используют углеродистые стали?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34032. Позитивизм и его разновидности 26.5 KB
  Таким образом получается что произвести соединение умов в едином общении принципов и через это доставить твердую основу для социальной реорганизации и для действительно нормального порядка вещей и составляет назначение позитивизма. Для позитивизма в соответствии с его же принципом не существует других настоящих наук кроме естествознания изучающего явления внешнего мира. Если вдуматься в суть позитивизма во всех его разновидностях то следует сказать: это реальность развития философской мысли. Словом эта тенденция усиления связи...
34033. Волюнтаризм Шопенгауэра 25.5 KB
  Интеллект утомляется а воля неутомима. Реальна только одна космически громадная воля которая проявляется во всем течении событий Вселенной: мир только зеркало этого воления выступающее как представление. Мир по Шопенгауэру нелеп а вся история мира это история бессмысленной флуктуации волевых искр когда воля вынуждена пожирать самое себя так как кроме нее ничего нет и она к тому же голодная и жестокая постоянно ткущая паутину страдания. Он подверг критике ошибочную позицию сторонников крайнего рационализма согласно которому...
34034. Философия экзистенцизма 33.5 KB
  Экзистенциализм Философия существования. изолированный одинокий индивид все интересы которого сосредоточены на нем же самом на его собственном ненадежном и бренном существовании. Экзистенциальные проблемы это такие пробл которые возникают из самого факта сущ человека. Для Э имеет значение только его собственное сущ и его движение к небытию.
34035. ФИЛОСОФИЯ В ЭПОХУ ПОСТМОДЕРНА 24 KB
  Осознание факта исчерпаемости энергии и земных ресурсов конечности не только человека но и человечества. Отказ от культа человека приводящему к забвению трансцендентного и пренебрежению к природе. Всеобщая единая действительность должна быть познана не через мир а через человека.
34036. Религиозная философия 25 KB
  Субстанционный мир мир находится в единстве с богом. Умственный мир умственноидеальная сфера. Чувственный мир мир людей.
34037. Философия Соловьева 23.5 KB
  В философии Соловьева как и в учении Гегеля онтология и гносеология бытие и познание неразделимы и опираются на единую основу. Соловьева поэтому всю его систему часто называют философией всеединства. Философия по мнению Соловьева возникает в период напряженного кризиса когда религиозная социальная роль не разрывает человеческое общество сознание.
34038. Установление ставок земельного налога. Льготы по взиманию земельного налога 36.5 KB
  ЗЕМЕЛЬНЫЙ НАЛОГ В 2011-2012 ГОДАХ. Земельный налог является местным налогом. на территории которой находится земельный участок. Земельный налог уплачивают организации и физические лица обладающие земельными участками на праве собственности праве постоянного бессрочного пользования или праве пожизненного наследуемого владения.
34039. Понятие и виды земельных споров. Виды и компетенция органов, уполномоченных разрешать земельные споры 35.5 KB
  Виды и компетенция органов уполномоченных разрешать земельные споры. Земельные споры. Как правило споры возникают в сфере использования земельных участков. Рассматривая земельные споры можно выделить 2 их вида.
34040. Правовой режим служебных земельных наделов 25 KB
  Основанием выделения работникам служебного земельного надела служит решение соответствующей организации о выделении работнику служебного земельного надела при наличии заявления работника. лесничий обязан предоставлять работникам государственной лесной охраны служебные земельные наделы и другие льготы предусмотренные законодательством. Увольнение работника из штата организации влечет за собой изъятие предоставленного земельного участка. В случае когда на служебном наделе произведен посев сельскохозяйственных культур право пользования...