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

73536. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ И АППРОКСИМАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 183 KB
  Приведена ВАХ типового нелинейного элемента полупроводникового диода. Для резистивных нелинейных элементов важным параметром является их сопротивление которое в отличие от линейных резисторов не является постоянным а зависит от того в какой точке ВАХ оно определяется.
73537. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ НА ЦЕПЬ С НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ 371.5 KB
  На этом же рисунке показана форма тока в цепи с нелинейным элементом it. Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики формы напряжения и тока оказываются различными. Воздействие гармонического сигнала на нелинейный элемент спектра тока...
73539. Заряд внутри диэлектрика, Теорема Гаусса для вектора напряжённости в диэлектрике 146.5 KB
  Выберем на этой поверхности некоторую площадку, малую настолько, что её можно считать частью плоскости и поле на ней можно считать однородным. Построим цилиндр, проходящий через эту площадку с направляющими параллельно вектору напряжённости внешнего поля.