Микроструктура и твердость углеродистой стали в отожженном состоянии
Введение
Сталями называют железоуглеродистые сплавы, содержащие менее двух процентов углерода. Углерод является основным компонентом, влияющим на микроструктуру и свойства стали. После отжига, т.е. в равновесном состоянии, фазовый состав и микроструктура стали соответствуют диаграмме состояния «железо - углерод (цементит)».
Фазы в железоуглеродистых сплавах
Аустенит (А) - твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,14%. Аустенит имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК) и устойчиво существует при температурах выше 727ºС.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α-железе. Максимальная растворимость углерода в α-железе составляет всего 0,025%. Феррит имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК) и устойчиво существует при температурах ниже 911ºС. Из-за малого содержания углерода свойства феррита близки свойствам железа. Твердость феррита - 50…100 НВ в зависимости от содержания примесей.
Цементит (карбид железа Fe3С) представляет собой химическое соединение углерода с железом. Цементит содержит 6,67% углерода, имеет сложную октаэдричесую решетку; он хрупок и тверд. Его твердость достигает 800…1000 HV.
При температурах ниже 727ºС (линия РSК) все железоуглеродистые сплавы имеют одинаковый состав - смесь феррита и цементита. Чем больше углерода, тем больше цементита в стали и выше ее твердость.
Микроструктура стали формируется в процессе охлаждения её на области аустенита при распаде последнего и зависит от содержания углерода.
Структурные составляющие в сталях
Феррит имеет однофазную структуру и является продуктом диффузионного распада аустенита при его охлаждении ниже линии GS. Например, в сплаве I аустенит превращается в феррит в интервале температур Т1 - Т2 (точки 1 - 2). Феррит, как однофазная структура, при травлении 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте имеет светлую окраску различной яркости. Размер и форма ферритных зерен зависит от характера обработки стали. После отжига в техническом железе и в низкоуглеродистой стали зерна феррита имеют равноосную (полиэдрическую) форму. В среднеуглеродистых сталях феррит образует отдельные островки или сетку вокруг перлитных зерен.
Микроструктура стали (х 240) и схема ее зарисовки: а - техническое железо, феррит; б - сталь 30, феррит и перлит; в-сталь 45, феррит и перлит; г - сталь 65, перлит и сетка феррита; д - заэвтектоидная сталь У12, перлит и сетка цементита
Цементит вторичный (ЦII) - однофазная структура - выделяется из аустенита при охлаждении стали ниже линии ЕS вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-железе. Например, в сплаве II из аустенита в интервале температур Т3 - Т4 (точки 2 - 4) выделяется цементит, а аустенит при этом обедняется углеродом. В медленно охлажденной стали цементит вторичный выделяется по границам аустенитных зерен, образуя сетку. При травлении 4-процентным раствором азотной кислоты цементит сохраняет ярко-белую окраску (он твердый, хорошо полируется и хорошо отражает световые лучи).
Цементит третичный (ЦIII) выделяется из феррита по линии РQ вследствие уменьшения растворимости углерода в α-железе от 0,025% углерода в точке Р до 0,006% в точке Q. Как и цементит вторичный, он сохраняет ярко-белую окраску.
Перлит - двухфазная структура - продукт эвтектоидного распада аустенита при температуре 727ºС.
Аs → Ф + ЦII, т.е. Аs → перлит (Ф + ЦII).
Перлит представляет собой смесь феррита и цементита, одновременно образующихся при распаде аустенита эвтектоидного состава (0,83% углерода). Обычно перлит имеет пластинчатое строение - состоит из чередующихся пластин феррита и цементита, образующих зерна (колонии) перлита. Толщина пластин находится за пределами разрешающей способности линз оптического микроскопа, поэтому зерна перлита после травления 4-процентным раствором азотной кислоты окрашиваются в темный цвет (от черного до светло-коричневого). При больших увеличениях (более 600 раз) и в оптический микроскоп можно увидеть, что перлит состоит из чередующихся пластин.
Рисунок 3 - Микроструктура стали (х 800) и схема строения перлита: а - пластинчатый перлит, б - зернистый перлит
В низкоуглеродистых сталях, а также после специальной термической обработки в средне- и высокоуглеродистых сталях перлит может иметь зернистое строение. В этом случае дисперсные частицы цементита округлой формы располагаются в ферритной основе. Твердость перлита в зависимости от толщины пластин равна 180-220 НВ.