Микроструктуры технического железа

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,02% называют техническим железом. До 0,006% – это однофазная структура – феррит (рисунок 1.1а), от 0,006% до 0,02% С сплавы имеют структуру феррита – светлые зерна с выделением по границам прослоек третичного цементита, который практически не выявляется при травлении шлифа (рисунок 1.1б).

  

а                                                              б

а) техническое железо до 0,006% С, феррит;

б) техническое железо от 0,006% до 0,02% С, феррит + цементит_III

Рисунок 1.1 – Микроструктура технического железа (´340)

Микроструктуры углеродистой стали

По содержанию углерода стали делят на: низкоуглеродистые (≤0,25%С) – малопрочные, высокопластичные стали; среднеуглеродистые (0,25…0,7%С) – более прочные и менее пластичные стали и высокоуглеродистые (≥0,7%С) – прочные с упругими свойствами, износостойкие стали.

По структуре в отожженном состоянии стали разделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% С и имеют ферритно-перлитную структуру. На фотографиях микроструктур доэвтектоидной стали – светлые зерна – феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита (рисунок 1.2, рисунок 1.3, рисунок 1.4).

  

а                                                              б

а) 0,1% C, феррит + перлит; б) 0,2% С, феррит + перлит

Рисунок 1.2 – Микроструктуры низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (´340)

   

а                                                             б

 

в                                                            г

а) 0,3% C, феррит + перлит; б) 0,4% С, феррит + перлит;

в) 0,5% С, феррит + перлит; г) 0,6% С, феррит + перлит

Рисунок 1.3 – Микроструктуры среднеуглеродистой доэвтектоидной стали (´340)

 

Рисунок 1.4 – Микроструктура высокоуглеродистой доэвтектоидной стали

0,7% С, феррит + перлит(´340)

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% С и имеет перлитную структуру – эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе.

В литой, горячекатаной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из чередующихся пластинок феррита и цементита (рисунок 1.5,а). В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек (рисунок 1.5,б).

 

     

а                                                               б

а) 0,8% С, перлит пластинчатый; б) 0,8% С, перлит зернистый

Рисунок 1.5 – Микроструктуры эвтектоидной стали (´340)

 

При небольших увеличениях микроскопа зерна перлита окрашены в темные тона – серый или серо-бурый и пластинки цементита и феррита в них неразличимы. При средних и больших увеличениях зерна перлита после травления кажутся состоящими из светлых и темных полос. Наличие этих полос объясняется тем, что пластинки феррита растворяются в кислоте быстрее пластинок цементита, вследствие чего получается микрорельеф. Свет, падающий на поверхность микрошлифа, дает тени от выступающих пластинок цементита, отбрасываемые на углубленные, частично растворенные пластинки феррита. При микроскопическом исследовании, для случая большой степени дисперсности частиц, двухфазное строение перлита может и не выявляться. В таких случаях перлит выявляется в виде сплошного темного фона.

Микроструктура заэвтектоидных сталей (0,8...2,14% С) состоит из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит различим в виде белой сетки, окружающей зерна перлита (рисунок 1.6).

 

Рисунок 1.6 – Микроструктура заэвтектоидной стали 1,2% С, перлит + цементит_II (´340)

Пороки микроструктуры стали

Если при полном отжиге доэвтектоидную сталь сильно перегреть и ускоренно охладить, то образуется характерная видманштеттовая структура (рисунки 1.7а и 1.7б). Из крупных зерен аустенита образуются крупные колонии перлита, а избыточный феррит выделяется в виде белых ориентированных пластин. В сечении шлифа эти пластины представляют собой крупные иглы.

              

а                                                                   б

 

в                                                                   г

 

а) видманштеттовая структура доэвтектоидной стали(´340);

б) видманштеттовая структура заэвтектоидной стали (´340);

в) крупнозернистая структура стали (´200);

г) обезуглероживание поверхности стали (´200)

Рисунок 1.7 – Пороки микроструктуры стали

 

Крупнозернистая структура стали это, чаще всего, структурный дефект стальных отливок (рисунок 1.7в), который, как и видманштеттовая структура, исправляется рекристаллизационным отжигом.

Обезуглероживание поверхности стали происходит при проведении термической обработки в нагревательных камерах без защитной атмосферы, в результате чего происходит окисление углерода в поверхностном слое и появление зерен феррита (рисунок 1.7г), – левая сторона фотографии.

Микроструктуры чугунов

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В практике машиностроения в большинстве случаев используют чугун с содержанием 2,5…4,0% углерода.

В зависимости от состояния углерода чугун подразделяют на белый, половинчатый и серый, цвет излома которых соответственно изменяется от матово-белого до пепельно-серого.

Микроструктура белых чугунов для равновесных условий характеризуется правой частью диаграммы состояния железо-цементит.

При комнатной температуре в доэвтектических белых чугунах (рисунки 1.8а, 1.8б) находятся три структурные составляющие: перлит (крупные темные зерна), вторичный цементит (белая составляющая), ледебурит перлитный – ячеистая составляющая Л(перлит + цементит), в которой на белом цементитном поле располагаются мелкие темные включения перлита.

Эвтектический белый чугун (рисунок 1.8в) состоит из одной структурной составляющей – ледебурита, который состоит из перлита и цементита первичного.

Заэвтектический белый чугун (рисунок 1.8г) содержит две структурные составляющие: первичный цементит в виде крупных белых игл и ледебурит.

    

а                                                              б

      

в                                                                 г

а) доэвтектический 2,9% C; б) доэвтектический 3,3% C;

в) эвтектический 4,3% С; г) заэвтектический 5,5% С

Рисунок 1.8 – Микроструктуры белого чугуна (´340)

В серых чугунах углерод содержится в виде графита, который наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленого шлифа (рисунки 1.9а, 1.9б, 1.9в, 1.9г).

     

а                                                            б

      

в                                                              г

а ) серый – графит мелкопластинчатый; б) серый – графит крупнопластинчатый;

в) ковкий – графит хлопьевидный; г) высокопрочный – графит глобулярный

Рисунок 1.9 – Микроструктуры нетравленого чугуна (´200)

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рисунок 1.10а). Он имеет графит пластинчатой формы.

                           а                                                             б                                                            в

а) ферритный (´200); б) ферритно-перлитный (´340); в) перлитный (´340)

Рисунок 1.10 – Микроструктуры серого чугуна

Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой, то структура чугуна состоит из графита и перлита – полосчатые зерна. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе (рисунок 1.10в). Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично – с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структуры – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на ферритно-перлитной основе (рисунок 1.10б).

Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна, в результате чего цементит распадается и графит, называемый углеродом отжига, выделяется в форме компактных хлопьевидных включений с рваными краями.

В зависимости от степени графитизации встречаются два основных типа структур ковкого чугуна: на ферритной и перлитной основах, реже на ферритно-перлитной основе (рисунок 1.11).

 

а                                                 б

а) ферритный; б) ферритно-перлитный

Рисунок 1.11 – Микроструктуры ковкого чугуна (´340)

В зависимости от режима отжига структура ковкого чугуна может состоять из зерен феррита и равномерно распределенных хлопьев графита. Излом такого чугуна получается темным, и его называют черносердечным (рисунок 1.11а). Если в области эвтектоидного превращения скорость охлаждения будет выше, то у чугуна возможна структура перлита и графита, такой чугун называют ковким перлитным чугуном, или светлосердечным.

 

а                                                                 б

а) ферритный; б) ферритно-перлитный

Рисунок 1.12 – Микроструктуры высокопрочного чугуна (´340)

Микроструктура модифицированного магнием (0,02…0,08%) высокопрочного чугуна также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и ферритно-перлитной. При модифицировании выделяющийся графит приобретает шаровидную форму, такой графит меньше ослабляет металлическую основу, и механические свойства чугуна улучшаются – повышается его пластичность и увеличивается твердость (рисунок 1.12).