Технология конструкционных материалов

Практикум

Казань 2013

Лабораторная работа 1

Микроструктура углеродистых сталей и чугунов

В равновесном состоянии

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – составляют до 90% металлофонда в экономике России, являясь основными конструкционными материалами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлажде­нии до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграм­мой состояния «железо – цементит», создателем которой является Д.К. Чернов. Данные диаграмм состояния широко используются для выбора оптимальных режимов про­изводства и термообработки железоуглеродистых сплавов.

Цель работы – изучение диаграммы состояния «железо – цементит», анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы при образовании фаз и структур, и опре­деление состава и весового количества фаз при заданных темпе­ратурах.

Основы теории

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Железо – металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539°С. Же­лезо имеет две полиморфные модификации: α -железо, существую­щее при температуре ниже 910°С; γ-железо, существующее в ин­тервале температур 910– 1392°С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка α-железа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768°С железо ферромагнитно. Температуру 768°С, соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояния в парамагнит­ное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая.

Углерод – неметаллический элемент, атомный номер 6, плот­ность 2,5 г/см³, температура плавления 3 500 °С. Углерод раство­рим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высоко­углеродистых сплавах – в виде графита.

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зави­симости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния «железо – углерод» (рис.2.1). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграм­ма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Она яв­ляется основой для выбора оптимальных режимов термообра­ботки железоуглеродистых сплавов.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния «железо – углерод»:

1 – метастабильная система; 2 – стабильная система

 

Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование струк­туры.

В системе Fe – Fe₃C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цемен­тит (в том числе первичный, вторичный и третичный).

К структурным составляющим в системе Fe – Fe₃C, наряду с перечисленными фазами, относятся ледебурит и перлит.

Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо – цементит»

Рассмотрим области диаграммы состояния «железо – цемен­тит», которые отвечают равновесным состояниям сплавов систе­мы, и основные фазовые превращения (см. рис.2.1).

Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe₃C: жидкая фаза L – расплавы выше линии ликвидуса ABCD; феррит Ф: высокотемпературная область – левее линии AHN; низкотемпературная область – левее линии GPQ; аустенит А – область ограничена линией NJESG; цементит Ц– вертикальная линия DFKL.

В двухфазных областях в равновесии находятся: жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН); кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP); жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE); жидкий раствор и цементит (CDF); кристаллы аустенита и цементита (SECFK); кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори­зонтальные линии на диаграмме состояния:

- при t = 1499 °C (линия HJB) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превраще­ние в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

L _(B)⁺ Ф _(Н) → A _(J) - аустенит; (2.1)

- при t = 1147 °С (линия ECF) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

L _(c) → A _(E) + Ц – ледебурит; (2.2)

- при t = 727 °С (линия PSK) в сплавах системы с концентраци­ей углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механичес­кую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:

A _{S) → Ф _(р)+ Ц– перлит. (2.3)

Составы и количества фаз в системе «железо – цементит» можно определить на коноде с помощью правила отрезков. Структурный качественный и количественный состав сплавов определяется также с помощью коноды, однако ее концы дол­жны быть ограничены линиями соответствующих структурных составляющих.

Анализ структурного состава

Формирование структур в сплавах можно изучить, анализи­руя по диаграмме процессы, происходящие в них при охлажде­нии или нагревании. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.

В процессе эвтектического превращения жидкий раствор зат­вердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концен­трацией углерода более 0,02% при температуре 727 °С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого явля­ется полиморфное превращение Fe → Fe_α. В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита. Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся в результате изменения растворимости при пониже­нии температуры из жидкой фазы, называют первичным ( Ц ₁), из аустенита – вторичным ( Ц ₂), а из феррита – третичным ( Ц ₃).

Проследим за формированием структуры сталей с содержа­нием углерода 1,5% при их медленном охлаждении, начиная с температуры 1600 °С. Критические точки, соответствующие тем­пературам превращений, показаны на фигуративных линиях рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содер­жанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния; б – кривая кристаллизации сплава

 

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляю­щих для рассматриваемого случая приведены в табл.2.1.

До температуры 1450 °С (точка 1) заэвтектоидная сталь с 1,5% углерода находится в жидком состоянии. При t = 1450 °C начинается процесс кристаллизации. В интервале температур 1450-1250 °С (точки 2, 3) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и аустенит. В интервале температур 1250 – 950 °С (точки 3, 4) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав спла­ва представлен аустенитом. При охлаждении сплава ниже 950 °С (точка 4) аустенит с концентрацией углерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диф­фундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.

Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727 °С (точки 4, 5) изменяется согласно линии ES от точки 4 к точке S:

 

 

Таблица 2.1.

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляющих для структурного анализа диаграммы состояния Fe – Fe₃C (заэвтектоидная сталь; 1,5% С)

Номер области	Схема структуры	Состав фаз и структурных составляющих
1-2		t > 1450 °С L = 100% (жидкий раствор)
2-3		T = 1450∙∙∙1250 °С L + A (жидкий раствор + аустенит)
3-4		t = 1250∙∙∙950 ^оС А = 100% (аустенит)
4-5		t = 950∙∙∙727 ^оС А + ЦII (аустенит + цементит вторичный)
5-6		t = 727∙∙∙600 °С П + ЦII + ЦIII (перлит + цементит вторичный + цементит третичный)
Примечание. Цементит третичный визуально, как правило, не идентифицируется

При температуре 727 °С (точка 5 ) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Ниже температуры 727 °С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (Ц_III) (точ­ки 5, 6).

В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600 °С.

Содержания структурных составляющих определяются после­довательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществую­щих фаз или структурных составляющих по коноде abc 6 def. (см. рис. 2.2.).Ве­личину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные состав­ляющие, рассмотрим расчет для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600 °С):

Проверку осуществляем сложением количества (%) составляющих фаз. Сумма должна быть равна 100%.

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производственного проката. Это связано с тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием, давление и свариваемостью. Но они менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения высокой прочности их следует подвергать отпуску при более низких температурах, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.

Главный недостаток углеродистых сталей – небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой.. Крупные детали изготавливают из сталей без термического упрочнения – в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.

По статической прочности углеродистые стали относятся, преимущественно к сталям нормальной прочности.

Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные; инструментальные углеродистые стали производят качественными и высококачественными.

 

Принципы классификации углеродистых сталей

Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а выше 2,14% – чугунами.

Наиболее общими признаками классификации сталей являются: концентрация углерода, назначение, структура, степень раскисления, категория качества, свариваемость.

По концентрации углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (С < 0,3%), среднеуглеродистые (0,3% < C < 0,7%) и высокоуглеродистые (С > 0,7%).

По назначению стали классифицируются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные углеродистые стали подразделяются на строительные, содержащие до 0,3 ÷ 0,37% углерода, и машиностроительные (до 0,8% углерода).

Эти стали составляют наиболее обширную группу. Они предназначены для изготовления строительных сооружений, деталей машин и механизмов в машиностроении и приборостроении.

Инструментальными называются стали, применяемые для обработки материалов резанием, холодной штамповкой и горячим деформированием, а также для изготовления измерительного инструмента. Они содержат от 0,7 до 1,3% углерода и обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

По структуре в равновесном состоянии (по диаграмме Fе – С) стали классифицируются на:

- доэвтектоидные (С < 0,8%), имеющие структуру феррит и перлит;

- эвтектоидные (С = 0,8%) со структурой перлита;

- заэвтектоидные (С > 0,8%) со структурой перлита и вторичного цемента.

По степени раскисления и характеру затвердевания слитков стали подразделяются на: спокойные (СП), полуспокойные (ПС) и кипящие (КП).

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации (ковке, штамповке, гибке и т.д.).

Спокойные стали раскисляются кремнием, марганцем и алюминием. Они содержат наименьшее количество кислорода, и слитки спокойно затвердевают без газовыделения.

Кипящие стали раскисляются только марганцем. В них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании слитка частично взаимодействует с углеродом, удаляется в виде СО, создавая эффект кипения. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По категории качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.

Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Основным показателем категории качества стали является предельное содержание фосфора и серы (табл.2).

По свариваемости углеродистые стали классифицируются на стали, обладающие высокой и затрудненной свариваемостью.

Свариваемость – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом.

Для получения качественного сварного соединения важным является отсутствие в шве пор, непроваров и трещин. Характеристикой свариваемости данного металла является возможность сварки различными способами и простота технологии.

Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин, которая тем больше, чем дольше металл шва находится в жидком состоянии. Причина холодных трещин – возникающие внутренние напряжения при структурных превращениях, особенно мартенситном, в результате местной подкалки.

В связи с этим, хорошей свариваемостью обладают стали, содержащие до 0,25% С. (К ним относятся углеродистые стали Ст 0…Ст4; стали 08; 10; 15; 20; 25) от 0,25 до 0,35% С – удовлетворительно свариваемые.

При сварке углеродистых сталей, содержащих более 0,35% С, возникают затруднения из-за возможности закалки и охрупчивания околошовной зоны. В этом случае требуется применение специальных технологических приемов – предварительный подогрев кромок свариваемых деталей до 600ºС, снижение скорости охлаждения после сварки, применение защитных атмосфер и проведение последующей термической обработки, снижающей внутренние напряжения. Стали считаются ограниченно свариваемыми. При содержании углерода более 0,35%.

Классификация по структуре в равновесном состоянии

 

 

Таблица 1. Категории качества углеродистой стали

Категория качества стали	Р,% не более	S,% не более	Способ выплавки стали
Обыкновенного качества	0,04	0,05	Конвертерный
Качественные	0,035	0,035	Мартеновский
Высококачественные	0,025	0,025	Электродуговой