Перейти на главную страницу
Микроструктура углеродистых сталей и чугунов
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 .
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
где С – число степеней свободы в системе;
Ф – число фаз.
Рис2.
рис. 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЯХ
т.е.
где С – концентрация углерода в стали;
- 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.
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.
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.
лившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита.
Цель работы
Выполнение работы
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 ![]() δ=50%
|
Сердечники эл. магнитов; прутки; листы; детали, изготовляя-емые глубокой штамповкой |
2. Сталь 45 |
0,42-0,50С |
Отжиг |
НВ=152 кг/мм² ![]() δ=28%
|
Болты; гайки; шпильки; противовесы коленчатых валов |
3. Сталь У8А |
0,75-0,84С |
Отжиг |
НВ=180 кг/мм² ![]() δ=10-15%
|
Матрицы; пуансоны; пневматичес-кий инструмент |
4. Сталь У12А |
1,15-1,24С |
|
НВ=230 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 ![]() 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 ![]() 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 ![]() 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
Вопросы для самопроверки
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.
Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии описываются диаграм-мой состояния железо-углерод
14 12 2014
1 стр.
Приборы и материалы: Для проведения работы необходимо иметь металлографический микроскоп, набор микрошлифов железа, углеродистых сталей и чугунов
17 12 2014
1 стр.
Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углер
14 12 2014
1 стр.
Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications
18 12 2014
1 стр.
И заэвтектический (от 4,3 до 6,67% С). Во всех белых чугунах имеется цементитная эвтектика (ледебурит). Эвтектический белый чугун состоит только из одного ледебурита
17 12 2014
1 стр.
В различных отраслях промышленного производства наибольшее применение получили чёрные металлические сплавы стали и чугуны
15 12 2014
1 стр.
Целью отжига является снижение твердости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости резанием или давлением
10 10 2014
1 стр.
Материаловедение. Изучение микроструктуры углеродистых сталей: методические указания к выполнению лабораторной работы №4 для студентов всех специальностей и форм обучения. Изд. 4-е
26 09 2014
1 стр.