Микроструктура сталей и чугунов в равновесном состоянии

 

Цель работы: Изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назначение сталей и чугунов.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют собой, как правило, литейные материалы. Примеры использования этих материалов даны ниже. Легковой автомобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60% его массы (США, Западная Европа). В станкостроении общая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80% от массы металлорежущего станка.

Основу химического состава сталей и чугунов составляет железо с добавками углерода менее 2,14% (стали) или более 2,14% (чугуны). У многих марок этих материалов дополнительно содержатся легирующие химические элементы (хром, кремний, марганец, никель, молибден и др.). Перечень основных видов сталей и чугунов по государственным стандартам приведен в таблицах 3 и 4. В машиностроении преимущественно применяются конструкционные стали и отливки из чугунов, используемые для изготовления деталей машин и различных сооружений, и инструментальные стали для металлорежущих, штамповых, измерительных и других инструментов.

При изучении строения и определении качества металлических материалов в материаловедении широко используется микроструктурный анализ (микроанализ).

Микроанализ - изучение строения поверхностей шлифованных, полированных и протравленных образцов - микрошлифов с помощью металлографических оптических микроскопов при увеличениях обычно от 100^x до 1000^x.

Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется микроструктурой. Микроструктура разных по химическому составу материалов и после их различной обработки отличается по размеру, геометрической форме, цвету, взаимному расположению отдельных структурных составляющих.

Микроанализ основан на использовании законов отражения и поглощения световых лучей от поверхности непрозрачных металлических материалов (рисунок 3). Полированная металлическая поверхность отражает направленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая. При наличии в материале неметаллических составляющих структуры они видны как темные, так как поглощают световые лучи.

Стали, получаемые кислородно-конверторным, электросталеплавильным и другими способами, содержат неметаллические включения. Это химические соединения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом и др.).

 

Таблица 1 - Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам

ГОСТ	Наименование стандарта
380-2005	Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.
535-2005	Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия.
1050-88	Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия.
1414-75	Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия.
1435-99	Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
4543-2016	Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия.
5632-2014	Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия.
5950-2000 14959-79 19265-73	Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.

 

Таблица 2 - Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам

ГОСТ	Наименование стандарта
1215-79	Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия.
1412-85	Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.
1585-85	Чугун антифрикционный для отливок. Марки.
7293-85	Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки.
7769-82	Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.
28394-89	Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.

а	б

 

Рисунок 1 - Схема отражения световых лучей от поверхности полированного (а) и подвергнутого травлению (б) шлифа.

 

Основными видами неметаллических включений в стали по ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды и карбонитриды (MnS, SiO₂, TiN, nFeO × mMnO × pSiO₂ и др.). Оксиды и нитриды являются хрупкими и при прокатке стали располагаются в виде строчек или рассредоточенных точечных частиц. Пластичные сульфиды получают форму продолговатых линз. Силикаты имеют сложный химический состав и могут быть пластичными или хрупкими.

После травления шлифа химическим реактивом различные структурные составляющие материала растворяются разной скоростью и в разной степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие выступающих и углубленных участков). На отдельных участках этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и темные различных оттенков.

Данные о фазовом строении и структуре материалов в равновесном состоянии получают из приведенных в учебниках и справочниках диаграмм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «температура - химический состав» содержат информацию о фазах (первичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диаграмм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к равновесному состоянию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диаграмма состояния железо – углерод дана на рисунке 2.

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости компонентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе в твердом состоянии. У железа наблюдаются два полиморфных превращения:

; .

Железо модификации a и g имеют соответственно кристаллические решетки объемноцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диаграмме состояния железо-углерод образуются три области твердых растворов углерода в железе:

- область NIESGN твердого раствора g (аустенита А), т.е. раствора углерода в γ-Fe (ГЦК);

- две области QPGQ и AHNA твердого раствора a (феррита Ф), т.е. раствора углерода в a-Fe (ОЦК).

 

Рисунок 2 - Диаграмма состояния железо – углерод

 

В правой части метастабильной диаграммы состояния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твердого раствора небольшого количества железа в химическом соединении Fe₃C, т.е. цементита Ц.

Следовательно, в сплавах метастабильной диаграммы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит, цементит. Остальные области диаграммы состояния, ограниченные сплошными линиями, являются двухфазными, т.е. состоят из тех или иных двух фаз.

На диаграмме состояния имеются также горизонтальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где в равновесном состоянии существуют по три фазы:

· линия HIB перитектического превращения:

· линия ECF эвтектического превращения:

(эвтектика - ледебурит Л)

 

· линия PSK эвтектоидного превращения:

(эвтектоид – перлит П)

В сплавах железо – углерод - кремний в зависимости от количества углерода и кремния, численной величины скорости охлаждения существуют две разновидности диаграммы состояния железо-углерод: метастабильная (железо-цементит) и стабильная (железо - графит).

У сталей и чугунов в равновесном состоянии имеются следующие фазы:

- Жидкий раствор (Ж) на основе железа.

- Феррит (Ф)- твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе a-Fе с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относительное удлинение 50%).

- Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе g-Fe с кристаллической решеткой гранецентрированного куба (ГЦК).

- Цементит (Ц) - раствор небольшого количества железа в карбиде железа Fe₃C.

Образуются также и более сложные структурные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре:

- Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образуется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в результате следующего фазового превращения аустенита: 

Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и частиц цементита в форме мелких зерен.

- Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участков, состоящий из белого цементита - основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот ледебурит состоит из цементита и аустенита:

Многочисленные стали разных марок, отличающиеся химическим составом, по микроструктуре в равновесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (таблица 5).

Представление о структурных классах чугунов дает таблица 6 и структурная диаграмма на рисунке 5. Формы включений графита показаны на рисунке 6.

 

Таблица 5 - Структурные классы сталей в равновесном состоянии

Структурный класс стали	Химический состав		Микроструктура	Типовое применение в машиностроении
	Углерод С	Типичные легирующие элементы
Доэвтектоидные стали	Ср < С < С s	Cr, Mn, Ni и др.	Феррит + перлит	Конструкционные стали
Эвтектоидные стали	C = С s	Cr, W, V и др.	Перлит	Инструментальные стали
Заэвтектоидные стали	С s < C < CE	Cr	Перлит и карбиды вторичные	Инструментальные стали
Стали карбидного (ледебуритного) класса	CE < C < 2,14%	Хром, вольфрам (до 6…12 %)	Перлит, карбиды первичные и вторичные	Инструментальные стали
Стали аустенитного класса	Десятые доли % и менее	Никель, марганец (до 13…20 %)	Аустенит легированный	Коррозионно-стойкие стали. Жаропрочные стали
Стали ферритного класса		Кремний, хром	Феррит легированный	Электротехнические стали. Кислотостойкие стали

 

Рисунок 5 - Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная)

ЧПГ	ЧШГ	ЧВГ	ЧХГ
а	б	в	г

Рисунок 6 - Характерные геометрические формы включений графита в ферритных конструкционных чугунах: а - пластинчатая, б - шаровидная, в – вермикулярная, г - хлопьевидная (компактная).

 

Таблица 6 - Типичные структурные классы чугунов

Структурный класс чугуна	Микроструктура
Белые чугуны: доэвтектические (СЕ < C < C С) эвтектический (С = C С) заэвтектические (C С < C < CF)	Ледебурит, перлит и карбиды вторичные Ледебурит Ледебурит и карбиды первичные
Половинчатые чугуны	Ледебурит, перлит, вторичный цементит и графит
Чугуны с пластинчатым графитом ЧПГ	Перлит и графит; феррит, перлит и графит
Чугуны с шаровидным графитом ВЧШГ	Перлит и графит; перлит, феррит и графит; бейнит и графит
Чугуны с вермикулярным графитом ЧВГ	Перлит, феррит, графит вермикулярный, до 20…30% графита шаровидного
Чугуны с хлопьевидным (компактным) графитом ЧХГ	Феррит и графит; перлит и графит

 

Сведения о характерных механических свойствах углеродистых сталей и конструкционных чугунов приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Механические свойства сталей и чугунов (без упрочняющей термической обработки)

Наименование материала

Механические свойства