ЛАБОРАТОРНая работа № 3

Тема: Исследование микроструктуры углеродистой стали.

Цели: изучить устройство и работу металлографического микроскопа; приобрести навыки работы на металлографическом микроскопе; изучить микроструктуру углеродистых сталей; выявить зависимость между структурой и механическими свойствами сталей; приобрести навыки анализа микроструктуры углеродистых сталей.

Измерительные приборы, инструмент, материалы: металлографический микроскоп; набор микрошлифов; атлас микроструктур.

Краткие теоретические сведения

Углеродистыми сталями называются сплавы, содержащие не более 2,14 % углерода. Одним из методов исследования углеродистых сталей является микроанализ сталей, находящихся в равновесном состоянии. Под равновесным состоянием понимается такое состояние сплава, когда все фазовые превращения в сплаве полностью завершились в соответствии с диаграммой Fе-С, которая и является основой для определения фазовых и структурных составляющих углеродистых сталей.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ - железо, то есть в железо, имеющее гранецентрированную кубическую решетку. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14 % при 1147 °С. Твердость аустенита 180...220 НВ, относительное удлинение δ =40...50 %.

Аустенит немагнитен, обладает антикоррозионными свойствами и устойчив при температурах выше 727° С.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α- железо, то есть в железо, имеющее объемноцентрированную кубическую решетку. Максимальная растворимость углерода в феррите 0,02 % при 727 °С. Твердость феррита 80...90 НВ, относительное удлинение 50 %.

До температуры 768 °С магнитен. Чистый феррит имеет высокие антикоррозионные свойства. Феррит имеет зернистое строение, является самой пластичной и мягкой составляющей железоуглеродистых сплавов.

Цементит - химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fе₃С. Содержит постоянное количество углерода - 6,67 %. Твердость 800 НВ, относительное удлинение δ =0. Цементит - очень хрупкая составляющая. До 210 °С слабо магнитен, при 210 °С теряет магнитные свойства.

Перлит - механическая смесь феррита и цементита. Перлит является результатом эвтектоидного превращения, происходящего при температуре 727 °С и заключающегося в распаде аустенита на эвтектоидную смесь, состоящую из феррита и цементита. Твердость перлита невысока, она составляет 200 НВ, относительное удлинение δ =15 %.

По структуре в равновесном состоянии сплавы делятся следующим образом:

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

Структура состоит из феррита и третичного цементита, выделяющегося из феррита и располагающегося по границам зерен феррита (см. рисунок 4.1). Третичный цементит понижает пластичность и вязкость стали.

Рисунок 4.1. Структура низкоуглеродистой стали

2) доэвтектоидные стали, содержащие углерод от 0,02 до 0,8 %.

Структура этих сталей состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна). Количество перлита возрастает пропорционально увеличению содержания углерода (см. рисунок 4.2 и 4.3) и соответственно уменьшается количество избыточного феррита.

Рисунок 4.2. Структура стали Рисунок4.3. Структура стали

содержанием углерода 0,2 % с содержанием углерода 0,45 %

3) эвтектоидная сталь, содержащая 0,8 % углерода.

Структура этой стали состоит из перлита (см. рисунок 4.4 и 4.5). Перлит представляет собой эвтектоидную смесь, состоящую из мелких пластинок или зернышек цементита в ферритной основе. В первом случае перлит называется пластинчатым (см. рисунок 4,4) во втором - зернистым (см. рисунок 4.5).

Рисунок 4.4. Эвтектоидная сталь. Рисунок4.5. Эвтектоидная сталь.

Пластинчатый перлит. Зернистый перлит.

Сталь с зернистым строением перлита отличается лучшей пластичностью и обрабатываемостью резанием.

4) заэвтектоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % углерода.

Структура их состоит из перлита и цементита вторичного (см. рисунок 4.6 и 4.7).

Рисунок 4.6. Заэвтектоидная сталь.

Выделение избыточного цементита в виде зерен.

Р и с у н о к 4.7. Заэвтектоидная сталь. Выделение избыточного цементита в виде сетки.

Под микроскопом вторичный цементит обнаруживается в виде мелких светлых зерен, сравнительно равномерно распределенных в основной массе перлита (см. рисунок 4.6) или в виде светлой сетки, расположенной по границам перлитных зерен (см. рисунок 4.7).

Содержание углерода влияет на структуру, следовательно, на свойства углеродистой стали (см. рисунок 4.8).

Рисунок 4.8. Влияние углерода на механические свойства стали

С увеличением содержания углерода увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита, поэтому твердость стали увеличивается, а пластичность снижается. Заэвтектоидные стали являются сравнительно хрупким материалом, что подтверждается кривой изменения ударной вязкости.

Прочность сталей вначале повышается и доходит до максимума при содержании углерода около 1 %, а затем, по мере увеличения хрупкости, снижается. По этой причине на практике стали с содержанием углерода более 1,3 % не применяются, так как они очень хрупкие, имеют низкую прочность и с трудом поддаются механической обработке.

Рамы и детали кузовов вагонов, тепловозов, электровозов, моторвагонных секций и других конструкций железнодорожной техники изготавливают из низкоуглеродистой стали обыкновенного качества Ст3сп; для изготовления клепанных мостов применяют сталь Ст3 мостовую, детали оборудования рефрижераторных вагонов изготавливают из стали марки 45, стали марок 60, 65, 70, 80, 85 используются для изготовления пружин и рессор тягового подвижного состава.