Изменение структуры в зависимости от содержания углерода

Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы - цементита третичного. При содержании углерода до 0,025 % структурно свободный цементитвыделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существеннопонижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит располагается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.

При увеличении содержания углерода выше 0,025% в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10 - 0,15% С в стали появляютсявключения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшимповышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.

По микроструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (выделением из феррита избыточного третичного цементита пренебрегаем). С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита - увеличивается (рис. 3).

При содержании в стали 0,8% углерода количество перлита равно 100%.

На рисунке 10 показана микроструктура доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода. Отчетливо видно, что содержание перлита (темная составляющая) увеличивается с повышением содержания углерода.

Структура эвтектоидной стали (0,8 С) состоит из одного перлита, всё поле заполнено перлитом.

Структура заэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, причем цементит может располагаться в виде сетки, зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей вместо обычного перлита может быть зернистый перлит, который получают после специальной термообработки.Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит– на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Рис. 4. Равновесная диаграмма

Последовательность образования равновесной структуры

 

На примере сплава, содержащего 0,5% С, рассмотрим последовательность протекания фазовых превращений, образующих в конечном счете равновесную структуру, предполагая его охлаждение с температур жидкого состояния равновесным. Схема кривой охлаждения показана на рис. 4.1.

Итак, до температуры 1 следует простое охлаждение жидкого сплава.

От точки 1, лежащей на линии ликвидуса, начинается образование кристаллов аустенита. Их количество растет и при температуре в точке 2 процесс кристаллизации заканчивается. Далее последует простое охлаждение зерен аустенита.

t, ° C L L+ g g g+α α ^p +g ^S →(α+Fe3C) α+(α+Fe3C) Время τ 4׳

Рис. 4.1. Схема кривой охлаждения сплава (0,5% С) и образования его равновесной ферритно-перлитной структуры

 

По достижении температуры точки 3 (рис. 4.1) посредством перестройки ГЦК решетки в ОЦК решетку аустенит начинает превращаться в феррит. Это происходит практически одновременно в каждом зерне аустенита. Причем, концентрация углерода в образующемся феррите, в соответствии с его природой, определяется кривой PG диаграммы состояния. Поскольку в интервале температур 3-4 в аустените появляется и количественно растет ферритная составляющая с явно меньшим содержанием растворенного углерода, чем в анализируемом сплаве, концентрация углерода в убывающем количественно аустените увеличивается. Ее изменения описываются кривой GS диаграммы (рис. 4.1).

В итоге, при температуре точки 4 в пределах границ каждого первичного зерна аустенита в равновесии окажутся феррит состава точки P и остаток аустенита состава точки S.

Последующий отвод тепла нарушит устойчивость остатка аустенита и он претерпит диффузионное эвтектоидное превращение в перлит по схеме:

ЭФg ^S → (α+Fe₃C)

Процесс совершается с выделением тепловой энергии и поэтому протекает на отрезке изотермы 4-4′ (рис. 4.1). Охлаждение ниже точки 4′ практически не изменит образовавшейся структуры. Она состоит из феррита и перлита.

Подобная структура типична для любого доэвтектоидного сплава. Причем, по мере увеличения концентрации углерода монотонно растет количество перлитной составляющей и убывает количество ферритной составляющей.

В заэвтектоидных сплавах их равновесное охлаждение ниже сольвусаES сопровождается образованием вторичного цементита, образующего оболочку вокруг первичного аустенитного зерна. Затем аустенит превращается в перлит. Поэтому любой заэвтектоидный сплав со структурой из зерен перлита, окаймленных оболочкой вторичного цементита.

Задания

 

1. Зарисовать диаграмму состояния железо-цементит. Построить кривые охлаждения для доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Описать, как формируется структура сталей при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

2. С помощью микроскопа изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии. Зарисовать наблюдаемые в микроскоп структуры, определить количество присутствующих фаз и структурных составляющих в процентах, сравнить микроструктуры углеродистой и легированной хромом сталей с одинаковым содержанием углерода и дать описание.

3. Освоить метод приближенного определения углерода в стали по микроструктуре.

Контрольные задания

1. Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали марки 50 (0,5%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 730 °С.

2. Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали.

3. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки У12 (1,2%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре.

4. Структура стали состоит из 30% перлита, остальное -феррит. Зарисовать микроструктуру стали. Определить содержание углерода в ней.

5. Зарисовать и описать микроструктуру технического железа с содержанием 0,01% С. Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре.

6. Зарисовать и описать микроструктуру стали с содержанием углерода 0,02%. Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 727°С.

7. Структура стали состоит из 70% перлита, остальное -феррит. Зарисовать микроструктуру стали, определить содержание углерода в ней.

8. Структура стали состоит из одного перлита. Зарисовать микроструктуру стали. Определить количество цементита.

9. Сталь марки У10 (1,0%С) медленно охлаждалась с температуры на 50 °С выше линии SE диаграммы Fe-Fe3C. Зарисовать и описать микроструктуру стали. Определить количество цементита в стали при комнатной температуре.

10. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки 70 (0,7% С). Определить количество перлита, феррита и цементита в стали.

11. Структура стали состоит из 90% перлита, остальное -вторичный цементит. Зарисовать указанную структуру, определить содержание углерода в стали.

12. Структура заэвтектоидной стали марки У13 (1,3% С) состоит из перлита и вторичного цементита. Зарисовать указанную структуру. Определить количество цементита в ней.

13. В структуре стали содержится 12% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали.

14. В структуре стали содержится 5,25% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали.

Вопросы для повторения

1. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит?

2. Сколько углерода может раствориться в феррите?

3. Как выглядят феррит, цементит и перлит при рассмотрении в микроскоп?

4. В структуре, каких сталей присутствует третичный цементит, какова его роль в формировании свойств стали?

5. В структуре, каких сталей присутствует вторичный цементит?

6. При каких условиях вторичный цементит в заэвтектоидных сталях образует сплошную прослойку (сетку) по границам зерен перлита, и как это отражается на свойствах стали?

7. При каком содержании углерода в структуре углеродистой стали появляется перлит?

8. Какие структурные составляющие содержатся в структуре железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода до 0,02%?

9. Как изменяется структура доэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода?

10. Как по количеству перлита определить приближенно содержание углерода в стали?

11. Какие структурные составляющие присутствуют в структуре заэвтектоидных сталей?

12. Как и почему изменяются свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии с увеличением содержания углерода?

 

Литература

1.Арзамасов Б.И. Материаловедение технология конструкционных материалов. М: Издательский центр «Академия», 2007.

2. Сироткин О.С. Теоретические основы общего материаловедения, Казань КГЭУ, 2007, 348с.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

 

Лабораторная работа № 3