Изучение структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии.

Цель работы: изучение зависимости между структурой и свойствами сталей.

Оборудование и приборы: металлографический микроскоп МИМ-7.

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали от 0,02 до 2,14 %.

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей для равновесных условий характеризуется нижней левой частью диаграммы состояния железо-цементит (рис. 1). Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т. е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве.

Сплавы с содержанием до 0,02% С называются техническим железом, от 0,02 до 0,8% С - доэвтектоидными сталями и от 0,8 до 2,14%С — заэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью.

Рис. 1. Стальной угол диаграммы Fe-Fе₃C

Практическая часть.

1. Микроструктура технически чистого же­леза или АРМКО-железа (ARMCO — сокращенное название американской фирмы American Rolling Mill Corporation).

Растворимость углерода в α-железе переменная при комнат­ной температуре составляет 0,006% С. Поэтому сплавы железа с содержанием до 0,006% С имеют структуру только твердого раствора углерода в α-же­лезе (феррит). На рис. 2 показана микроструктура феррита (твердого раствора углерода в α-железе с выделением третичного цементита по границам зерен). В сплавах с содержанием от 0,006 до 0,02%С в связи с пони­жением растворимости углерода в α-железе при понижении тем­пературы из феррита выделяется це­ментит, называемый третичным. Тре­тичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 2). Выделения третичного цементита по границам зёрен очень вредны, т. к. снижают прочность и ударную вязкость.

Рис. 2. Структура сплава системы железо-углерод с содержанием углерода от 0,006 до 0,02%.

2. Микроструктура доэвтектоидной стали. Эти стали имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3). Здесь светлые зерна представляют собой феррит, а темные участки – перлит.

Рис. 3. Структура доэвтектоидной стали.

К доэвтектоидным сталям относится сталь 60 (0,6% С) - конструкционная качественная сталь, используемая для изготовления деталей повышенной прочности.

3. Эвтектоидная сталь. Структура эвтектоидной стали - перлит хорошо просматривается при увеличениях больше х400. Перлит состоит из чередующихся полос феррита и полос цементита. К эвтектоидным сталям относится сталь У8 - инструментальная углеродистая сталь, применяемая для изготовления инструмента, работающего в условиях, не вызывающих сильного разогрева режущей кромки.

Рис. 4. Структура эвтектоида.

4. Микроструктура заэвтектоидных сталей - перлит с сеткой вторичного цементита по границам зерен (рис. 5) - цеметитная сетка или перлит и цементит в виде светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита. Заэвтектоидная сталь содержит углерода больше 0,8 % углерода (точка S), но меньше, чем 2,14 % (точка Е). К заэвтектоидным сталям относят, например, сталь У12 (содержание углерода 1,2 %).

-

Рис. 5. Структура заэвтектоидной стали с сеткой вторичного цементита по ганицам зерен.

5. Структура сталей после отжига. Отжиг – операции нагрева и медленного охлаждения стали с целью выравнивания химического состава, получения равновесной структуры, снятия напряжений. При отжиге детали охлаждают медленно. Углеродистые стали – со скоростью 200°C/час, легированные стали – 30-100°C/час. Иногда при проведении отжига образуется видманштеттовая структура – признак перегрева стали. Видманштеттовая структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность пластин феррита в доэвтектоидных сталях или цементитных игл в заэвтектоидных сталях. Эта структура образуется вследствие охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит или в заэвтектоидной стали цементит вторичный образуется не только на границах, но и внутри зерен аустенита (по плоскостям кристаллической решетки в местах различных кристаллических дефектов). Видманштеттенова структура впервые обнаружена английским учёным У. Томсоном и австрийским учёным А. Видманштеттеном в 1808 году при изучении железо-никелевых метеоритов

Видманштеттова структура встречается в стальных отливках, сварных швах, деталях, перегретых при термообработке. Такая структура считается дефектной и в ответственных деталях недопустима. Она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией.

Рис. 6. Видманштеттовая структура доэвтектоидной стали.

К сталям, склонным к образованию видманштеттовой структуры относят литейную сталь 35Л (0,35% С).