Практическое занятие 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ Цель занятия – приобрести умения и навыки пользования диаграммой состояния железо-цементит: определение фаз и структуры системы, анализа превращений при изменении температуры, установления связей между структурой и свойствами сплава. Сталями называются железо-углеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Процессы кристаллизации и структурно-фазовое состояние сталей описывается в диаграмме железо-цементит (рис. 1). В процессе кристаллизации сталей образуются фазы и структурные составляющие. Р и с. 1. Диаграмма железо-цементит 1.1. ФАЗЫ СИСТЕМЫ Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -Fe (кристаллическая решетка ОЦК). Из диаграммы состояний видно, что однофазная область феррита существует в двух зонах: AHN и QPG. Максимальная растворимость углерода в области QPG в -Fe при 727 °С составляет около 0,025 %. При понижении температуры растворимость снижается и составляет при 0 °С около 0,006 %. Феррит характеризуется повышенной пластичностью, невысокой твердостью (НВ = 80-100), наличием магнитных свойств ниже температуры 768 °С (температура точки Кюри). Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe (кристаллическая решетка ГЦК). Область аустенита на диаграмме размещена в границах NIESOG. Предельная растворимость углерода равна 2,14 % и имеет место при 1147 °С (точка Е). Аустенит не магнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита около 200 НВ. Цементит (Ц) – химическое соединение Fe3C с содержанием 6,67 % С (имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку). Цементит характеризуется очень высокой твердостью (НВ » 800) и хрупкостью; ниже температуры 217 °С (точка Кюри для Fe3C) слабо магнитен. 1.2. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ Некоторые фазы могут встречаться в сталях в качестве самостоятельных структурных составляющих. Так, в углеродистых сталях это феррит в доэвтектоидных сплавах и цементит в заэвтектоидных сталях. (Здесь не учитывается возможность выделения третичного цементита в малоуглеродистых сталях. Аустенит в виде самостоятельной структуры может присутствовать только в легированных сталях). В большинстве случаев в сталях формируются двухфазные структуры типа перлита. Перлит (П) – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8 % С и образуется в процессе охлаждения при температуре 727 °С (линия PSK) в результате распада аустенита. В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость соответственно 200-220 НВ. Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении в сталях с формированием равновесных структур. Прежде всего отметим, что сложность диаграммы объясняется наличием фазовых превращений в твердом состоянии, которые вызываются двумя причинами: 1) наличием полиморфных превращений Feγ « Feα; 2) уменьшением растворимости углерода в γ-Fe и α-Fe при понижении температуры (изменением растворимости углерода в α-Fe для средне- и высокоуглеродистых сталей можно практически пренебречь). В процессе первичной кристаллизации ниже линии АВ из жидкого расплава выделяются кристаллы феррита-δ (Фδ), ниже линии ВС – кристаллы аустенита. На линии АН вся жидкая фаза затвердевает с образованием феррита-d, который при последующем охлаждении от линии NH до NI, ввиду наличия полиморфного превращения α-Fe → γ-Fe, перекристаллизовывается с образованием аустенита. При температуре 1499 °С (на линии НВ) сплавы претерпевают перитектическое превращение, в результате которого ранее выделившиеся кристаллы феррита-d концентрации точки Н, взаимодействуя с оставшейся жидкой фазой состава точки В, образуют новую фазу: аустенит состава точки I по реакции ФδН + ЖВ → АI При дальнейшем охлаждении в сталях, содержащих от 0,1 до 0,16 % углерода, оставшийся феррит-δ перекристаллизовывается в аустенит, а в сталях с большим содержанием углерода происходит окончательное затвердевание жидкого расплава с образованием аустенита . Таким образом, ниже линий NJ и JE все сплавы имеют однородную аустенитную структуру. При дальнейшем охлаждении ниже линии GS в связи с наличием полиморфного превращения Feγ →Fea из аустенита выделяется феррит, количество аустенита при этом уменьшается, а концентрация углерода в нем возрастает (изменяется по линии GS). При охлаждении ниже линии SE из аустенита выделяется цементит вторичный. Количество аустенита уменьшается, и он обедняется углеродом (концентрация меняется в соответствии с линией SE диаграммы). На линии PSK весь оставшийся аустенит содержит 0,8%С и претерпевает эвтектоидное превращение с образованием перлита по схеме А0,8%С перлит (Ф0,025%С + Fe3С) Железо-углеродистые сплавы, содержащие углерода меньше 0,025 % (точка Р), относятся к техническому железу и при комнатной температуре имеют однофазную ферритную структуру (рис. 2) или структуру феррит + цементит третичный. Точка S (0,8%С) делит по структуре область сталей на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные (см. рис. 1). Такое подразделение сталей системы Fe – Fe3C обусловлено особенностями фазовых превращений в твердом состоянии. Р и с. 2. Чистое железо. Феррит х 200 Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 % до 0,8 % (от точки Р до точки S) и имеют структуру: феррит + перлит. С увеличением содержания углерода процентное содержание феррита уменьшается, а перлита – увеличивается. При содержании углерода 0,8 % количество перлита равно 100 %. На рис. 3, 4, 5 приведена микроструктура доэвтектоидных сталей с различным содержанием углерода (ферритные участки - в виде белой составляющей, перлитные – темной). Р и с. 3. Доэвтектоидная сталь.Феррит и перлит. Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте, х 200 Р и с. 4. Доэвтектоидная сталь. Феррит и перлит. Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте, х 200 Р и с. 5. Доэвтектоидная сталь. Феррит и перлит. х 200 В доэвтектоидных углеродистых сталях в отожженном состоянии можно с достаточной для практических целей точностью определить процентное содержание углерода по структуре. Например, пусть по микроструктуре 40 % всей площади занято перлитом. Тогда, полагая для упрощения расчетов, что углерод в феррите не растворяется и, следовательно, весь находится в перлите, в свою очередь написать, воспользовавшись правилом отрезков: 100%П – 0,8%С 40% П – Х, откуда Х = (0,8*40)/100 = 0,32%С. Марка – сталь 30. Сталь с 0,8%С называется эвтектоидной и имеет структуру перлита (рис. 6). Стали, содержащие углерода от 0,8 до 2,14 %, называются заэвтектоидными. Их структура состоит из перлита и цементита вторичного, который может располагаться по границам перлитных зерен, в виде сетки по границам отдельных зерен или в виде игл. На рис. 7 представлена микроструктура заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,2 %. Структура состоит из пластинчатого перлита и цементита вторичного, ориентированного в виде сетки по границам зерен. Р и с. 6. Эвтектоидная сталь. Перлит, х 400 Р и с. 7. Заэвтектоидная сталь с 1,2%С. Перлит и цементит вторичный, х 200 При травлении 4%-ным раствором HNO3 в спирте, цементит (так же, как и феррит) просматривается под микроскопом в виде светлой составляющей, а перлит имеет темную окраску. Для того, чтобы отличить по микроструктуре цементит от феррита, в качестве реактива травления применяют пикрат натрия, который окрашивает цементит в темный цвет, в то время как феррит остается в светлых тонах. Схематическое изображение структур представлено на рис. 8. Кроме железа и углерода в сталях присутствуют (в связи со способом производства) постоянные примеси: марганец, кремний, сера и фосфор. Их количество зависит от способа плавки стали, шихтовых материалов и марки стали и обычно не превышает следующих пределов: не более Mn – 0,80%, Si – 0,37%, S – 0,05%, Р – 0,04%. а б в Р и с. 8. Схематическое изображение структуры: а – доэвтектоидной; б – эвтектоидной; в – заэвтектоидной Свойства углеродистой стали главным образом определяются процентным содержанием углерода. На рис. 9 приведен график изменения механических свойств стали в зависимости от содержания углерода (в нормализованном состоянии). Р и с. 9. График изменения механических свойств углеродистой стали в зависимости от содержания углерода (в нормализованном состоянии) 1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Углеродистые стали классифицируют: а) по способу производства; б) по степени раскисления; в) по качеству; г) по способу получения заготовок; д) по назначению; е) по структуре (доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные). Классификация сталей по способу производства Стали, выплавляемые различными способами, отличаются большим или меньшим содержанием вредных примесей, газов и неметаллических включений. Это обуславливает различие в их свойствах. В зависимости от способа выплавки стали подразделяют на бессемеровские, мартеновские (основные и кислые), кислородно-конверторные и электростали (основные и кислые). Классификация сталей по степени раскисления В зависимости от условий и степени раскисления стали делят на спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они мало содержат кислорода и обладают поэтому высокими механическими свойствами. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Кипящие стали дешевы, но по сравнению со спокойной сталью обладают большей склонностью к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Положительным свойством кипящих сталей является их способность хорошо поддаваться вытяжке в холодном состоянии, обусловленная почти полным отсутствием в них кремния. Для изделий, получаемых методом холодной листовой штамповки применяют обычно кипящую сталь. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием. Они получают все более широкое применение как вместо кипящих, так и вместо спокойных сталей. Для обозначения степени раскисления к обозначению марки стали добавляют индексы: сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая. Классификация сталей по качеству По качеству углеродистые стали подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Качество стали во многом зависит от содержания газов (кислорода, водорода и азота) и вредных примесей – серы и фосфора. Газы являются скрытыми и количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому основными показателями для разделения сталей по качеству служат нормы содержания серы и фосфора. Стали обыкновенного качества содержат до 0,04 % S и 0,05 % Р, качественные – не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные не более 0,025 % Р и 0,015 % S. Классификация сталей по способу получения заготовок Литые стали – стальное фасонное литье. Кованые сталипоковки свободной ковки и штамповки. Катаные стали – прокат различного профиля – прутки, лента, листы и т.п. Литая сталь по сравнению с деформированной при одинаковом значении пределов текучести и прочности имеет меньшую пластичность и вязкость. В конце марки литой стали ставится буква Л. Классификация сталей по назначению По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные. К конструкционным сталям чаще всего относят низкоуглеродистые (до 0,30 % С) и среднеуглеродистые стали (0,35-0,65 % С), а к инструментальным – высокоуглеродистые (> 0,7%С). Конструкционные стали делятся на строительные и машиностроительные, но четкой границы между ними нет. По технологическим признакам конструкционные стали делят на цементуемые (< 0,30 % С), улучшаемые (0,25-0,5 % С) и повышенным содержанием серы и фосфора. автоматные с 1.4. МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Конструкционные стали обыкновенного качества имеют буквенно-цифровое обозначение. Выплавляются стали следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2 ... Ст6; Буквы «Ст» означают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер. Согласно этого номера государственный стандарт определяет химический состав и механические свойств марки стали. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставится соответствующий индекс, например: Ст3кп, БСт3пс. Качественные конструкционные стали, разделяют на две группы: с нормальным (0,25-0,70 %) и с повышенным содержанием марганца (0,7-1,0 %). К первой группе относятся, стали: 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10, 15кп, 15, 20кп, 20, 25, 35...85, ко второй – 15Г, 20Г, 25Г...70Г. Двухзначные цифры в марках сталей обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца. Автоматные стали отличаются высоким содержанием серы (0,15-0,3%) и фосфора (0,05-0,15%). Наиболее широкое применение нашли следующие марки сталей: А12, А30, А40Г, где буква А означает «автоматная». Углеродистые инструментальные стали производят качественными (У7, У8, У9...У13) и высококачественными (У7А, У8А, У9А ... У13А). Буква У означает «углеродистая». Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь является высококачественной. Химический состав углеродистых сталей, их маркировка, основные свойства и область применения приведены в табл. 1 и 2 (выписки из ГОСТ 1435-99 на качественную инструментальную сталь и ГОСТ 1050-88 - на качественную конструкционную). 1.5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Для выполнения работы представляется коллекция фотографий-микрошлифов протравленной углеродистой стали в равновесном состоянии. 1.6. ЗАДАНИЕ • Изучить структуру образцов и определить тип сплава (доэвтектоидная сталь, эвтектоидная или заэвтектоидная). • Зарисовать структуру каждого образца и указать стрелками структурные составляющие сплава. • В доэвтектоидных сталях определить площадь, занятую перлитом в %, и рассчитать содержание углерода. • По содержанию углерода определить марку (для конструкционных сталей по ГОСТ 1050-88, для инструментальных – по ГОСТ 1435-99), механические свойства и назначение изучаемых сталей. 1.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дать определение основных фаз системы (феррит, аустенит, цементит). 2. Охарактеризовать полиморфизм железа. 3. Объяснить сущность и различие эвтектического и эвтектоидного превращений. 4. Рассмотреть классификацию сталей по структуре и назначению. 5. Оценить влияние углерода на механические свойства стали. 6. Перечислить постоянные примеси углеродистых сталей и указать их влияние на свойства. 7. Проанализировать характер превращений в системе Fe – Fe3С при нагреве и охлаждении с применением правила фаз. 8. Проиллюстрировать применение правила отрезков на диаграмме Fe – Fe3C. 1.8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов: Учебник. М.: Высш. шк., 2012. 638 с. 2. Елизаров Ю.Д., Шепелев А.Ф. Материаловедение для экономистов: Учебник. Ростов-на-Дону, Феникс, 2014. 576 с. 3. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение: Учебник. М.: ПрофОбрИздат, 2012. 239 с.