Ведение. Углеродистые стали, являются сплавами на основе железа содержащими до 2,14% углерода

Углеродистые стали, являются сплавами на основе железа содержащими до 2,14% углерода. Углерод может ограниченно растворяться в железе. Растворимость углерода в железе зависит от температуры и типа кристаллической решетки железа. Структура сталей в равновесном состоянии зависит от содержания углерода и может быть определена по диаграмме состояния ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД.

Железо Цементит

Рисунок 1 – Диаграмма железо-цементит

Растворимость углерода в Fe_α ограничена линией PQ и не превышает 0,02% даже при 727 ºС (ограниченный твердый раствор углерода в Fe_α называют ферритом). Основная доля углерода в сталях присутствует в виде карбида железа Fe₃C (цементита).

При содержании углерода 0,8% структура стали в равновесном состоянии состоит из перлита, представляющего собой гетерогенную смесь феррита и цементита, образовавшуюся в результате эвтектоидного превращения аустенита. Если аустенит был однородным по составу, то перлит имеет пластинчатое строение, а если температура нагрева была недостаточно высокой, и аустенит остался неоднородным по составу, то выделяющиеся при эвтектоидном превращении частицы цементита могут приобрести округлую зернистую форму. Перлит с таким цементитом называют зернистым.

В результате травления шлифа спиртовым раствором азотной кислоты зёрна феррита и цементита остаются светлыми, а колонии перлита становятся темными. Такая окраска перлита создаётся благодаря тому, что в дисперсной структуре перлита очень велика поверхность границ между двумя фазами ферритом и цементитом. В среде электролита, которым является раствор кислоты, эти фазы образуют микрогальваническую пару и фаза-анод (в этом случае – феррит) растворяется быстрее. На перлите образуется большое количество канавок, на которых происходит интерференция света или рассеяние. При больших увеличениях можно различить в колониях перлита отдельные пластинки феррита и цементита.

По отношению к эвтектоидной концентрации углеродистые стали делят на доэвтектоидные, содержащие не более 0,79%С, эвтектоидную с содержанием углерода 0,80% и заэвтектоидные,содержащие углерода более 0,81%. При этом стали, содержащие до 0,02% С называют техническим железом.

Структура технического железа представляет относительно равноосные зёрна, разделенные тонкими, тёмными границами. Отдельные зёрна феррита при наблюдении под микроскопом выглядят немного темнее остальных. Различная окраска зерен феррита объясняется проявлением анизотропии химических свойств кристаллов, по-разному ориентированных относительно плоскости шлифа. Если содержание углерода превышает 0,006%,то в структуре технического железа можно наблюдать выделения третичного цементита, которые располагаются либо по границам зерен феррита в виде тонких прослоек, либо внутри зерен в виде мельчайших кристаллитов. Феррит является мягкой и пластичной фазой, а цементит - тверд и хрупок. Поэтому его присутствие уменьшает пластичность железа и малоуглеродистых сталей.

В сталях, содержащих углерода более 0,02%, в процессе отжига формируются колонии перлита.

Количество перлита зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем больше доля перлита и меньше доля феррита.

Используя микроскоп, можно в доэвтектоидной углеродистой отожженной стали определить количество углерода. Для этого нужно определить долю площади шлифа занимаемую перлитом. Если пренебречь малой растворимостью углерода в феррите (0,006%) и считать, что весь углерод стали сосредоточен в перлите, то можно вычислить содержание углерода по формуле: Х_с=0,8×N_п, где Х_с - содержание углерода в стали в процентах, N_п - доля площади шлифа, занятой колониями перлита.

В заэвтектоидных сталях при отжиге эвтектоидному превращению предшествует выделение из кристаллитов аустенита избыточного углерода. Выделяясь из аустенита, углерод в присутствии железа образует цементит (карбид железа), который, располагаясь между зёрнами аустенита, образует оболочку, разделяющую их (аустенит). В плоскости шлифа такая оболочка выглядит в виде сетки. Цементит, выделившийся при охлаждении аустенита в заэвтектоидных сталях называют вторичным. Выделения цементита вторичного по границам колоний перлита в виде оболочки (сетки) делает сталь хрупкой и не пригодной для использования. Поэтому в практике заэвтектоидные стали обрабатывают на зернистый перлит (с зернистым цементитом), имеющий более высокую вязкость.

Промышленные углеродистые стали кроме железа и углерода содержат также некоторые элементы, называемые примесями, которые попадают в сталь из шихты, из топлива или в виде технологических добавок и от которых не удаётся избавиться полностью. Часть примесей растворяется в феррите (Si, Mn, P), а часть присутствует в виде неметаллических включений (SiO₂, MnS, Al₂O₃). Наличие примесей тоже может повлиять на структуру сталей. Иногда они способствуют строчечному расположению феррита и перлита.

Порядок проведения работы.

1. Нарисовать диаграмму состояния Fe-Fe₃C.

2. Построить графики охлаждения сталей с различным содержанием углерода в равновесных условиях с указанием всех превращений, сопровождающих охлаждение и определить образующуюся структуру.

3. Расшифровать структуру изученных сталей.

4. Оценив содержание углерода в сталях, указать, для каких изделий их можно применять.