Микроскопическое исследование структуры углеродистых сталей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографический микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии с различной массовой долей углерода.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Компоненты и фазы в углеродистых сталях в равновесном состоянии.

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.

Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910 °С, железо существует в α -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется α -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392 °С существует γ -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).

 

Рис. 3.9. Фрагмент диаграммы состояния «железо-цементит»:а) фазовая; б) структурная.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе₃C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

Согласно фазовой диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует 15 процентов цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.

Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,б).

ВЛИЯНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 3.10, б) – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 3.10,б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3.10,а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 3.10, в).

Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

Рис. 3.10. Микроструктура углеродистых сталей: а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной(слева – схематическое изображение).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА В СТАЛИ И МАРКИ СТАЛИ ПО ЕЕ СТРУКТУРЕ

Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

, (3.6)

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.6), можно определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мn и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.3). Если после марки стоят буквы «кп» - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если «сп» – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если «пс» – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавсредств всех типов.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %. Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы п т.и.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3. Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.4). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква «А», это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Фазовая и структурная диаграммы Fe–Fe₃С (рис. 3.9).

4. Расчет массовой доли углерода доэвтектоидной стали.

5. Схемы микроструктур углеродистых сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, с указанием марки стали, ее химического состава и механических свойств, назначения стали.

6. Вывод.

 

Таблица 3.3

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %
C	Mn	Si
Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст3пс Ст4сп Ст5сп Ст6пс	< 0,23 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,09 – 0,15 0,14 – 0,22 0,18 – 0,27 0,28 – 0,37 0,38 – 0,49	– 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,30 – 0,65 0,40 – 0,70 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80	– < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 0,15 – 0,30 0,05 – 0,15

 

Таблица 3.4

Химический состав углеродистых инструментальныхкачественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Маркистали	Массовая доля элементов, %
C	Si	Mn	S	P
Не более
У7; У7А	0,65 – 0,74	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У8; У8А	0,75 – 0,84	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У9; У9А	0,85 – 0,94	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У10;У10А	0,95 – 1,04	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У11;У11А	1,05 – 1,14	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У12;У12А	1,15 – 1,24	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У13;У13А	1,25 – 1,35	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что такое сталь?

Компоненты углеродистых сталей.

Дать определение фаз углеродистых сталей (феррита, цементита, аустенита).

Охарактеризовать механические свойства феррита и цементита.

Влияние массовой доли углерода на количественное соотношение фаз и механические свойства стали.

Что такое перлит?

Структурные составляющие углеродистых сталей и особенности их механических свойств.

Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродистые стали?

Как подразделяются углеродистые стали по качеству?