Построение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов и микростурный анализ углеродистых сталей в равновесном состоянии

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

 

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ  СОСТОЯНИЯ 

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ  И МИКРОСТУРНЫЙ АНАЛИЗ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

 

Цель работы

 

1. Ознакомиться с диаграммой  состояния железоуглеродистых сплавов и изучить природу превращений в углеродистых сталях при медленном непрерывном охлаждении.

2. Изучить микроструктуру углеродистых  сталей в равновесном состоянии.

3. Изучить влияние содержания  углерода на механические свойства  медленно-охлажденных  сталей.

Задание

 

1.Построить диаграмму состояния системы Fe-Fe₃C.

2. Построить кривую охлаждения  для сплава с содержанием углерода, указанным преподавателем.

3. Исследовать с использованием  микроскопа контрольные шлифы  сталей, определить их фазовый  состав, структуру и примерное содержание углерода. Зарисовать микроструктуры исследованных сталей.

 

Основные сведения

 

Принципиально важным для  железо-углеродистых сплавов является то, что основной компонент - железо существует в двух аллотропических модификациях: объемноцентрированного куба (Fe_a) и гранецентрированного куба (Fe_g). Из кривой охлаждения чистого железа (рис.1) видно, что Fe_a существует в двух интервалах температур : ниже 911°С и от 1392 до 1539°С. Достигнув при охлаждении температуры 1392°С, Fe_a претерпевает аллотропическое превращение, в процессе которого кристаллическая решетка объемно-центрированного куба при постоянной температуре перестраивается в решетку гранецентрированного куба Fe_g.  Второе аллотропическое превращение в процессе охлаждения происходит при температуре 911°С, когда Fe_g (решетка гранецентрированного куба) перестраивается в объемноцентрированную кубическую решетку Fe_a.

       При температуре 768°С, называемой точкой Кюри, железо испытывает магнитное превращение: ниже 768°С железо становится

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

магнитным. Магнитное  превращение есть особый вид превращения  и имеет ряд особенностей, отличающих его от аллотропического превращения.

Железо с углеродом  образует твердые растворы внедрения  и химические соединения.

В зависимости от содержания углерода железо-углеродистые сплавы делятся на два класса: стали и чугуны.

Сталями называются сплавы, содержащие до 2,14% углерода. Чугуны имеют  в своем составе от 2,14 до 6,67%  углерода.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают:

- техническое железо - сплавы, содержащие  до 0,02%  углерода.

- доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8%  углерода,

- эвтектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода,

-заэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14%  углерода.

 

                      Первичная и вторичная кристаллизация стали

 

При изучении превращений в железо-углеродистых сплавах в процессе медленного охлаждения и их микроструктуры в равновесном состоянии пользуются диаграммой состояния "железо-цементит" (рис.2), основы для разработки которой были впервые даны Д.К.Черновым в 1886 г.

Диаграмма состояния ''железо-цементит", как и другие диаграммы состояния для двухкомпонентных систем, построена в координатах "температура-концентрация углерода в %”. Максимальная концентрация углерода на диаграмме состояния составляет 6,67 %, что соответствует 100% цементита.

Первичная кристаллизация - это переход  металла из жидкого состояния в твердое, т.е. процесс образования твердых кристаллов непосредственно из жидкого расплава.

Для углеродистых сталей этот процесс  начинается при охлаждении, когда температура достигает значений, соответствующих линии АВС, и заканчивается на линии HJE . После окончания первичной кристаллизации и достижения температуры, соответствующей линии HJE, сталь, независимо от содержания в ней углерода, имеет полиэдрическую структуру аустенита, который при дальнейшем медленном охлаждении сохраняется до линии  GS — в доэвтектоидных сталях и до линии  SE  - в заэвтектоидных.

В отличие от первичной кристаллизации процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кристаллизации.

Сущность вторичной кристаллизации для углеродистых сталей состоит в распаде аустенита при охлаждении стали и образовании новых фаз: феррита и цементита.

Вторичная кристаллизация в доэвтектоидных сталях начинается

выделением феррита при достижении уровня температур при охлаждении, соответствующих линии GS. Из диаграммы состояния видно, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

температура начала вторичной кристаллизации не постоянна. В доэвтектоидных сталях она понижается с увеличением содержания углерода.

В области GSP   структура состоит из двух фаз: ауcтенита и феррита. По мере охлаждения от линии GS к линии PS количество феррита постепенно увеличивается, а количество аустенита уменьшается; при этом в оставшемся аустените концентрация углерода увеличивается по линии GS в направлении к точке S  и достигнет 0,8 % при 727°С (линия PS ).

При охлаждении заэвтектоидных сталей из аустенита по линии ES начинает выделяться вторичный цементит. При дальнейшем охлаждении между линиями ES и SK     структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита, количество которого непрерывно возрастает. Охлаждаясь, аустенит обедняется углеродом и достигает эвтектоидного состава ( 0,8 %С ) при температуре 727° С ( линия SK  ).

Таким образом в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях при температуре 727°С аустенит содержит 0,8 %С и распадается при постоянной температуре на две фазы: феррит и цементит:          

А_0,8%С ®   (Ф_0,02%С + Ц_6,67%С) ,

а структура образующейся механической смеси называется перлитом.

 

 Структура углеродистой стали в равновесном состоянии

 

Согласно диаграмме  состояния сплавы, содержащие до 0,01% углерода, являются однофазными сплавами и имеют структуру чистого феррита. При содержании углерода от 0,01% до 0,02% структура сплавов состоит из феррита и третичного цементита, выделяющегося из феррита по линии  PQ . Ввиду очень малого количества третичного цементита в структуре он обычно не наблюдается.

Структура доэвтектоидной стали, содержащей углерода более 0,02 %, состоит из феррита  и перлита. С увеличением содержания углерода количество перлита увеличивается, а количество феррита уменьшается.

В доэвтектоидных сталях по микроструктуре можно с достаточной точностью определить содержание углерода, считая, что весь углерод находится в перлите. Для определения содержания углерода необходимо определить, какую часть поля зрения на шлифе занимают перлитные участки, и умножить полученную величину на 0,8. Например, если 40% всей площади занято перлитом, то содержание углерода в стали 

40: 100 х  0,8  = 0,32 %.

Структура эвтектоидной стали - перлит, т.е. механическая смесь двух фаз - феррита  и цементита, в которой частицы  цементита равномерно распределены в массе феррита. В зависимости от формы выделений цементита различают пластинчатый и зернистый перлит.

Структура заэвтектоидной стали состоит  из перлита и вторичного цементита. С увеличением содержания углерода в стали количество вторичного цементита также увеличивается, в заэвтектоидной отали вторичный цементит выделяется главным образом в виде тонкой сетки по границам зерен перлита. При обычном травлении четырехпроцентным раствором азотной кислоты в спирте цементитная сетка имеет такую же светлую окраску, как и ферритная сетка в доэвтектоидных сталях. Для того, чтобы в сомнительных случаях убедиться, что включениями является цементит, шлиф заново полируется и подвергается травлению специальным раствором пикрата натрия, который окрашивает в темный цвет цементит и не окрашивает феррит.

 

                  Механические свойства медленноохлажденных сталей

 

Увеличение содержания углерода приводит к увеличению перлита в структуре доэвтектоидных сталей и вторичного цементита в структуре заэвтектоидных сталей.

Таким образом, с увеличением содержания углерода в структуре медленноохлажденных сталей количество цементита в них увеличивается, а количество феррита уменьшается. Такие изменения в структуре стали приводят к изменению ее механических свойств. Феррит имеет невысокую прочность (s » 250 МПа), небольшую твердость (НВ » 80) и высокую пластичность (d » 50%). Цементит имеет высокую твердость (НВ» 800) и практически не обладает пластическими свойствами.

На рис.3 приведены зависимости  механических свойств горячекатаной cтали, для которой окончательное формирование структуры, а следовательно и свойств, определяется относительно медленным охлаждением после горячей прокатки, от содержания углерода. Приведенные значения механических свойств являются осредненными и могут колебаться в пределах 10 % в зависимости от условий охлаждения после прокатки, содержания примесей и др.

Из приведенных зависимостей видно, что с увеличением содержания углерода в медленноохлажденной стали ее твердость и прочность возрастают, а пластичность (относительное удлинение и относительное сужение ) – понижается.

Понижение предела прочности при увеличении содержания углерода выше 1% связано с появлением в структуре стали хрупкой сетки вторичного цементита по границам зерен перлита.

Порядок  оформления отчета

В отчете приводятся:

1. Цель работы и задание по  ее выполнению.

2. Кривая охлаждения для стали с заданной концентрацией углерода.

3. Рисунки микроструктур - доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектодной углеродистой стали и их анализ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

 

1. Солнцев Ю.п., Пряхин Е.И., Войткун   Ф.  Материаловедение. - М.: 1999, 477 с.

 

2.Лахтин Ю.М. Металловедение  и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия,   1993, 447 с.