Лабораторная работа №2

Микроструктура углеродистых сталей и чугунов

Введение

Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии описываются диаграм-мой состояния железо-углерод.

На рис. I приведена диаграмма состояния Fe-C для сплавов, содержащих до 6,67%C, поскольку при этой концентрации образу-ется химическое соединение – карбид железа или цементит, поэтому цементит удобно рассматривать как второй компонент системы.



Рис. 1
Рассмотрим характерные области диаграммы .

1. 
   Область GPQOG принадлежит твердому раствору угле-рода в α – Fe, называемому ферритом (ОЦК). Предельная раство-римость углерода в феррите при t = 727°С равна 0,02%. С уменьшением температуры до 600°С растворимость углерода в феррите падает до 0.01%.
   
2. 
   Область GNIESOG принадлежит твердому раствору углерода в γ – Fe, называемая аустенитом (ГЦК); предельная растворимость углерода в аустените равна 2,14% при t=1147°С. С уменьшением температуры до 727°С растворимость углерода в аустените падает до 0,8%.
   
3. 
   Область AHNA отвечает твердому раствору углерода в
   

δ – Fe (ОЦК); предельная растворимость углерода равна 0,1 при t=1499°С. Так как у и - один и тот же тип кристаллической решетки (К=8), твердый раствор углерода в δ – Fe называется высокотемпературным ферритом. Вышеуказанные твердые раство-ры записывают так:

; ;

Все три твердых раствора принадлежат к растворам типа внед-рения. Феррит весьма мягок, пластичен (HB=65-130; = 30 кг/мм²; δ=30%), магнитен до 768°С. Сплавы железа с углеродом (до 0,5%С) теряют магнетизм выше температуры МО, отвечающей точке Кори (768°С).

Аустенит более тверд и пластичен (HB=200-250; δ=40-50%), немагнитен. Цементит очень тверд, но хрупок (HB>800). Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку. Цементит магнитен до 210°С (), Будучи метастабильным соединением при весьма длительном нагреве выше 540°С цементит обнаруживает тенденцию к разложению.

При t=1147°С и концентрации углерода 4,3% образуется эвте-ктика (т. “C” на диаграмме), которая состоит из двух фаз: аустенита и цементита. Такая смесь двух фаз называется ледебуритом. С уменьшением температуры с 1147 до 727°С предельная раствори-мость углерода в аустените с 2,14% уменьшается до 0,8% (линия ES, по которой из аустенита выделяется вторичный цементит). Точка S, в которой сходятся две ветви кривых растворимости (GS и ES), напоминает точку эвтектики (С), однако в отличие от эвтектики в процессе охлаждения превращение в точке S происходит в твердом состоянии

.

Такое превращение аустенита в смесь предельно насыщенного углеродом феррита и цементита называется эвтектоидным, а точка S называется эвтектоидной точкой. Образующаяся в процессе превращения эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементи-та, называется перлитом.

Перлит имеет пластинчатое строение: кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита.

Таким образом, в диапазоне концентраций углерода от точки Р до точки К в системе сплавов Fe – С при 727°С происходит эвтек-тоидное превращение, при котором из аустенита образуется перлит. Температура эвтектоидного превращения 727°С обозначается бук-вой . Таким образом, и структура ледебурита ниже 727°С уже бу-дет состоять не из смеси аустенита и цементита, а из смеси перлита и цементита.

В системе Fe – C имеются две принципиальные группы сплавов: стали и чугуны.

Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14%С, сплавы с большим содержанием углерода называются чугунами.

Сталь, содержащая 0,8%С, называется эвтектоидной. Если сталь содержит менее 0,8%С, она называется доэвтектоидной, а при большем содержании (0,8-2,14%С) – заэвтектоидной.

Рассмотрим структурное превращение в системе Fe – С при медленном охлаждении аустенита доэвтектоидной стали 0,4% (рис.2). Воспользуемся при этом правилом фаз Гиббса

С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы в системе;

К – число компонентов;

Ф – число фаз.

Рис2.

В интервале температур 0-1 происходит охлаждение аустенита. Так как К=2; Ф=I, то С=2. Таким образом, процесс должен происходить при переменной температуре. Эта стадия процесса показана участком 0-1 на кривых охлаждения (рис. 2). В точке 1 – начало кристаллизации α фазы (феррита). По мере охлаждения относительное количество феррита увеличивается, а аустенита уменьшается. Концентрация углерода в аустените увеличивается по линии 1-S и в точке S при температуре 727°С достигает 0,8%. Концентрация углерода в феррите при этом увеличивается по линии GP, достигая при 727°C в точке Р значения 0,2%. На кривой охлаждения (рис. 2) этот процесс отражен наклонной линией 1-2 (так как С=1). При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение (γα+), при этом образуется перлит. Так как в реакции превращения участвуют 3 фазы, то С=0. Таким образом перлитное превращение протекает изотермически (площадка 2’-2 на кривой охлаждения). При дальнейшем понижении температуры до комнатной в интервале 2’-3 происходит охлаждение двухфазной структуры, которая состоит из зерен феррита и зерен перлита. Зерна феррита в микроструктуре наблюдаются в виде светлых зерен, перлит в виде темных участков структуры. При большом увеличении можно наблюдать, что структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита. Чем больше углерода в стали, тем больше в микроструктуре перлитной составляющей, тем выше твердость и прочность стали, но ниже пластичность (рис. 3).

рис. 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЯХ

Так как содержание углерода в феррите незначительно по сравнению с перлитом, то можно считать, что весь углерод в доэвтектоидной стали содержится в перлите. Более строго, общее количество углерода в стали следовало бы определить из уравнения:

, (1)

т.е.

, (2)

где С – концентрация углерода в стали;

- концентрация углерода в феррите и перлите соответственно;

S – полная площадь исследуемого участка;

- площади, занимаемые ферритом и перлитом соответст- венно.

Но, как уже говорилось выше, можно С1=0 и тогда (2) перепишется в виде:

.
Таким образом, определяя относительную площадь, занятую перлитом S2/S, можно определить концентрацию углерода в доэвтектоидной стали.

Микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита, расположенного в виде светлой сетки по границам зерен перлита.

Стали доэвтектоидного состава относятся (за некоторым исключением) к конструкционным сталям, стали эвтектоидного состава и заэвтектоидного – к инструментальным.

Стали, применяемые в авиации, относятся к группе высоко-качественных, у которых содержание вредных примесей (S, P) не должно превышать 0,03%. В марках сталей с низким и средним содержанием углерода цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а с высоким содержанием углерода (инструментальных) в десятых долях процента. Кроме того, в последнем случае перед цифрами ставится буква “У”. Например, сталь 45. Это среднеуглеродистая конструкционная

сталь, содержащая 0,42 – 0,5%С, У12А – инструментальная сталь с 1,2%С (1,15-1,24%С). Буква “A” характеризует принадлежность стали к высококачественной группе.

Чугуны делятся на белые, серые и ковкие.

Белый чугун имеет в изломе матово-белый оттенок вследствие наличия цементита. Основной структурной составляющей белого чугуна является ледебурит.

В белом чугуне весь углерод связан в цементите. Белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С<4,3%), эвтектические (С=4,3%) и заэвтектические (С>4,3%). Доэвтекти-ческий белый чугун состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Перлит в белом чугуне окрашен в более темный цвет, а ледебурит имеет вид участков с точечными темными вкраплениями. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл.

Эвтектический белый чугун содержит 100% ледебурита, представляющего смесь перлита и цементита. Перлит в ледебурите темный, цементит светлый

Заэвтектический белый чугун состоит из первичного цементита и ледебурита. Первичный цементит имеет вид крупных светлых игл, а ледебурит имеет такой же характер структуры, как и в доэвтектическом чугуне.

Серый чугун. В изломе, благодаря наличию в структуре графита, чугун приобретает серый цвет.

Микроструктура серого чугуна не соответствует диаграмме Fe-C (рис. 1), поскольку углерод в сером чугуне находится частично или полностью в свободном состоянии (графит).

Серый чугун получают путем введения в чугун повышенного количества кремния, который ускоряет распад цементита по реакции: (графит). Эта же реакция протекает при медленном охлаждении чугуна, при литье. По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлитно-ферритный и ферритный.

В микроструктуре серого чугуна графит наблюдается в виде пластин, которые, будучи хрупкими, образуют в металлической матрице микролокальную концентрацию напряжений, вследствие чего механические свойства такого чугуна невысокие.

Путем введения в чугун перед разливкой модификаторов (магний, силикокальций) графит принимает шаравидную форму. Концентрация напряжений в этом случае меньше, что повышает механические свойства чугуна. Путем длительного двойного отжига белого чугуна при 950-970°С и после при 760-720°С получают ковкий чугун. В результате отжига графит в структуре приобретает форму хлопьев. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность чугуна.

Металлическая основа может состоять из феррита (ферритный ковкий чугун) и перлита (перлитный ковкий чугун). Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун.

Железо (типа армко), Э,ЭА (С≤0,04%). Микроструктура состоит из светлых полиэдрических зерен феррита. Различный оттенок полиэдров связан с анизотропией зерен. На светлом фоне зерен феррита наблюдаются неметаллические включения (в виде темных точек).

Сталь 45А (0,42-0,50%С). Микроструктура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита. При большом увеличении (больше 500 крат) отчетливо наблюдается пластичное строение перлита, темные участки( пластины) принадлежат части поля структуры, занятой ферритом, светлые участки (пластины) структуры принадлежат цементиту и частично ферриту.

Сталь У8А (0,75-0,84%С). Микроструктура состоит из перлита. В различных зернах ориентация пластин цементита и феррита различна.

Сталь У12А (1,15-1,24%С). Микроструктура состоит из плас-тинчатого перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит расположен в виде светлой оторочки (сетки) по границам зерен перлита.

Белый чугун. Химический состав: 2,4-2,8%С; 0,8-1,4Si; ≤I%Mn, ≤0,I%S, ≤0,2%P. Микроструктура доэвтектического белого чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Темные большие участки шлифа – перлит. Светлые участки с точечными темными вкраплениями – ледебурит. Вторичный цементит, выде-

лившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита.

Серый перлитный чугун (СЧ18-36). Химический состав: 3,2-3,6%С; 0,4-1,8%Si; ≤1%Mn; ≤0,2%S; ≤0,2%P. Микроструктура сос-тоит из перлита (основное поле шлифа) и графита (темные крупные пластинки).

Высокопрочный магниевый чугун (ВЧ60-8). Химический состав: 3,4-3,6%С; 1,8-2,2%Si; 0,96-1,2%Mn; 0,01-0,63%Mg; ≤0,01%S, ≤0,06%P. Микроструктура состоит из сфероидных частиц графита, окруженных ферритом, который наблюдается в виде светлых участков. Основной (темный) фон микроструктуры составляет перлит.

Цель работы

Целью работы является изучение диаграммы состояния Fe-C и микроструктуры конкретных образцов (шлифов) сталей и чугунов. Изучение принципиальных свойств сталей и чугунов и области их применения.

Выполнение работы

Студент должен ознакомиться с принципом действия металло-микроскопа (ход луча) и методикой изготовления шлифов. Студенту предоставляется комплект шлифов различных сплавов системы Fe-C согласно нижеприведенной таблице.
Таблица

Марка сплава	Химический состав, %С	Термическая обработка, °С, ч	Механические св-ва	Применение
1. Э, ЭА, железо типа армко	С≤0,04	Отжиг	НВ=80-90 кг/мм² =25 кг/мм² δ=50%	Сердечники эл. магнитов; прутки; листы; детали, изготовляя-емые глубокой штамповкой
2. Сталь 45	0,42-0,50С	Отжиг	НВ=152 кг/мм² =51 кг/мм² δ=28%	Болты; гайки; шпильки; противовесы коленчатых валов
3. Сталь У8А	0,75-0,84С	Отжиг	НВ=180 кг/мм² =70 кг/мм² δ=10-15%	Матрицы; пуансоны; пневматичес-кий инструмент
4. Сталь У12А	1,15-1,24С		НВ=230 кг/мм² =68 кг/мм² δ=5%	Режущий и мерительный инструмент
5. Белый Чугун	2,4-2,8%С; 0,8-1,4Si; ≤I%Mn, ≤0,I%S, ≤0,2%P	Охлаждение на воздухе после литья	НВ=300-400кг/мм² =10 кг/мм² δ=0%	Идет на передел
6. Серый перлитный чугун (СЧ18-36)	3,2-3,6%С; 0,4-1,8%Si; ≤1%Mn; ≤0,2%S; ≤0,2%P	Охлаждение после литья медленное	НВ=150-200кг/мм² =18 кг/мм² δ=0,2%	Фрикционные колодки; торцевые барабаны; шестерни; поршневые кольца тепловых двигателей; втулки и стаканы насосов
7. Высоко-прочный чугун (ВЧ60-8)	3,4-3,6%С; 1,8-2,2%Si; 0,96-1,2%Mn; 0,01-0,63%Mg; ≤0,01%S, ≤0,06%P	Двойное модифицирование перед разливкой (FeSi и Mg), медленное охлаждение.	НВ=190-260кг/мм² =60-68кг/мм² δ=8-12%	Фрикцион-ные диски; антифрик-ционные втулки и матрицы для холодного прессования алюминия.

С помощью металломикроскопа изучается микроструктура сплавов, которая затем зарисовывается на специальном бланке, Структурные составляющие стрелками обязательно указываются в зарисовках. Отчет должен содержать чертеж диаграммы состояния Fe-C и ее анализ. Структурные составляющие должны быть объяснены.

Задание

1. 
   Изложить цель работы.
   
2. 
   Изучить диаграмму железо-углерод.
   
3. 
   Изучить принцип построения кривых охлаждения сплавов с различной концентрацией углерода, используя при этом правило фаз Гиббса.
   
4. 
   Изучить принцип действия металломикроскопа.
   
5. 
   Зарисовать (карандашом) микроструктуру шлифов различных групп сталей и чугунов, сопровождая зарисовки данными о фазовом составе исследуемых сплавов, степени увеличения микроскопа, механических свойств сталей и чугунов и указанием области применения.
   
6. 
   Краткие выводы по работе.
   
7. 
   Ответы на вопросы для самопроверки.
   

Вопросы для самопроверки

1. 
   Дать определения следующих структурных составляющих в сплавах системы железо-углерод:
   

а) феррит;

б) аустенит;

в) перлит.

2. Пользуясь правилом фаз построить кривые охлаждения для чистого железа и сплавов с 0,6%; 0,8%; 1,2%; 3,4%C.

3. Какая разница между эвтектоидом и эвтектикой?

4. Каков принцип маркировки конструкционных и инстру-ментальных углеродистых сталей.

5. Для каких деталей летательных аппаратов применяется углеродистая сталь.