Порядок выполнения работы.

Практическое занятие № 2

 

Фазы и структура углеродистых сталей.

 

1. Цель работы

1. Закрепить знания о фазах и структурных составляющих диаграммы железо – углерод (до 2,06%С).

1. Изучить связь микроструктуры с фазовыми превращениями в сплавах диаграммы железо – углерод.
2. Научиться предсказывать структуру и некоторые свойства углеродистых отожженных сталей.

 

Введение

 

Углеродистыми сталями называются сплавы системы железо – углерод, содержание углерода в которых не превосходит 2,06% (по массе). Сплавы такого состав не испытывают эвтектического превращения.

В технике углеродистые стали различают по содержанию примесей (Mn, Si, S, P): стали обычного качества и качественные (в последних содержание примесей и, прежде всего, серы и фосфора, понижено). Углеродистые стали используют для изготовления строительных конструкций (низкоуглеродистые – до 0,2%С), в машиностроении (низко- и среднеуглеродистые – до 0,6%С) и для изготовления режущего инструмента (высокоуглеродистые до 0,7 – 1,2%С). Качественные машиностроительные стали маркируют указанием среднего содержания углерода в сотых долях процента (например, сталь 45), качественные инструментальные – с указанием среднего содержания углерода в десятых долях процента с указанием буквы У (например, сталь У10).

В отожженных сталях микроструктура образуется в результате полного протекания всех фазовых превращений, указанных на диаграмме фазового равновесия Fe - Fe₃C.Фазовое состояние всех отожженных сталей одинаково: присутствуют две фазы – феррит (твердый раствор углерода в α – Fe) и карбид железа – цементит (Fe₃C). Исключение составляют сплавы, содержащие менее 0,006%С: в них при комнатной температуре имеется только феррит. В сталях разного состава количественное соотношение феррита и цементита неодинаково, его определяют по правилу рычага.

По микроструктуре в отожженном состоянии различают:

а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С);

б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С);

в) эвтектоидные стали (с 0,8%С);

г) заэвтектоидные стали (от 0,8% до 2,06%С).

В техническом железе микроструктура состоит либо из равноосных зерен феррита, либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями цементита третичного. Третичный цементит образуется в результате уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры (см. линию PQ на диаграмме равновесия). Третичный цементит выделяется по границам зерен феррита и образует разорванную сетку, так как количество его невелико. Максимальное количество третичного цементита достигается в сплаве с 0,025%С; оно составляет:

 

m^max_{Ц 3} = m_спл

В отожженных доэвтектоидных сталях две структурные составляющие – избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения аустенита, и эвтектоид (перлит), который возникает при эвтектоидном превращении:

γ_0,8 ↔ α_0,025 + Fe₃C.

Перлит имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных колоний (зерен). Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от состава стали, и определяется по правилу рычага

 

:= 7,3.

 

Количество структурных составляющих в доэвтектоидной стали находят по правилу рычага: массу избыточного феррита – как количество феррита перед началом эвтектоидного превращения (x - состав стали):

 

m_Физб = ,

массу перлита – как количество аустенита перед началом эвтектоидного превращения:

 

m_{П = .}

Избыточный феррит (при большом его количестве) выделяется в виде равноосных зерен, при малом количестве – в виде сетки по границам исходных зерен аустенита. При малом количестве перлита (в сталях с 0,1%С) он вырождается: эвтектоидный феррит присоединяется к ферриту избыточному, а эвтектоидный цементит выделяется по границам зерен феррита. Структура в этом случае подобна структуре технического железа.

В отожженных заэвтектоидныж сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Последний выделяется перед эвтектоидной реакцией из аустенита из-за уменьшения растворимости цементита вторичного в аустените при понижении температуры. Цементит вторичный выделяется по границам зерен аустенита, образуя сетку. Ячейки этой сетки заполняют колонии перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении после завершения выделения вторичного цементита. Количество вторичного цементита в стали находят по правилу рычага (рис 1):

 

m_{ц2 = .}

По микроструктуре можно определить химический состав отожженной углеродистой стали. Для этого необходимо определить одним из доступных методов объемную долю V каждой структурной составляющей. Так как плотности структурных составляющих в стали приблизительно равны, формулы для определения состава стали таковы:

 

а) для доэвтектоидной

 

%С = V_п • 0,8,

где V_п - объемная доля перлита (содержанием углерода в избыточном феррите пренебрегаем);

 

б) для заэвтектоидной

 

%С = V_п • 0,8 + (1 – Vп) • 6,67.

Фазы в отожженной стали обладают сильно отличающимися механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Механические свойства сплавов завися от свойств фаз. Однако существенное влияние на механические свойства стали сочетание этих фаз в виде микроструктуры.

 

Порядок выполнения работы.

При выполнении работы проводится анализ диаграммы железо - углерод и соответствующих ей микроструктур. Необходимо:

1. Изучить «стальной угол» диаграммы железо - углерод и определить расположение на ней фаз и структурных составляющих;
2. По диаграмме состояния железо – углерод определить количество фаз и структурных составляющих в сплаве предложенного состава;
3. По предоставленной структуре определить объемные доли структурных составляющих с целью последующего определения состава сплава.

 

Обработка результатов.

 

1. Кратко описать микроструктуру, указав наименование каждой структурной составляющей.
2. Определить по диаграмме равновесия и химическому составу фазовые составляющие сплава после окончания затвердевания.
3. Определить состав сплава, для которого найдены объемные доли структурных составляющих.
4. Построить схематические кривые охлаждения для изученного сплава.

 

Содержание отчета по работе.

 

1. Цель работы.
2. Краткое изложение введения.
3. Изученная часть диаграммы равновесия железо - углерод.
4. Результаты расчета состава сплава.
5. Выводы по работе.
6. Список использованной литературы.

 

1. Контрольные вопросы.

 

1. Какие сплавы называют сталями?

2. Какие фазовые превращения происходят в отожженных сталях при охлаждении?

3. Какие фазы могут быть в сталях (название, химический состав)?

4. Как классифицируют углеродистые стали по химическому составу?

5. В сталях какого состав присутствует феррит как структурная составляющая?

6. В каких сталях присутствует цементит как структурная составляющая?

7. В сталях какого состава присутствует цементит?

8. В каком температурном интервале при охлаждении отожженной углеродистой стали может выделяться цементит вторичный?

9. В сплавах какого состав отсутствует перлит?

10. Как определить содержание углерода в отожженной углеродистой стали по ее микроструктуре?