Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в
Равновесном состоянии
Цель работы:изучение микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии, определение марки сталей, установление связи между структурой стали, диаграммой состояния Fe-Fe3C и свойствами сталей.
Оборудование и материалы: набор микрошлифов в лабораторной коллекции отожженных углеродистых сталей, металлографические микроскопы, твердомеры Роквелла.
Равновесное состояние сплава достигается при очень медленном охлаждении, при котором все фазовые превращения закончились и описываются соответствующей диаграммой равновесия.
Равновесные структуры сталей и превращения в них описываются диаграммой состояния «железо-цементит». Допустимо считать, что равновесные структуры в сталях формируются при охлаждении вместе с выключенной печью (рис. 14).
В сплавах железа с углеродом существуют следующие фазы.
Жидкость(жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидуса.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C. В цементе содержится 6,67% С, он имеет сложную ромбическую решетку. Цементит тверд (НВ 800) и хрупок (d = 0), прочность его на растяжение очень мала (dв = 40 МПА), tпл = 1250°С. Цементит – фаза метастабильная (временно устойчивая), при t > 950°С за несколько часов распадается не железо и графит.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в g-железе. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Максимальная растворимость углерода в нем 2,14% при t = 1147°С. Аустенит немагнитен.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Кристаллическая решетка – объемно-центрированная кубическая. Максимальная растворимость углерода в нем 0,02% при t = 727°С. Феррит мягок и пластичен. При комнатной температуре феррит имеет sв = 250 МПа; НВ 60–90 (600–900 МПа); sт = 120 МПа; d = 40–50%;
j = 75%.
Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоидная) феррита и цементита. Перлит содержит 0,8% углерода и образуется при t = 727°С в результате распада аустенита по эвтектоидной реакции
В зависимости от формы частичек цементита перлит бывает пластинчатым и зернистым. Пластинчатый перлит имеет sв = 800 МПа; НВ 230; dв = 9–12%; у зернистого перлита sв = 700 МПа; НВ 190;
dв = 18 – 25%.
Рис. 14. Диаграмма состояния «железо-цементит»
Сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14% являются сталями.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% являются техническим железом. Техническое железо, как видно из диаграммы состояния Fe-Fe3C может быть однофазным (Ф) или двухфазным (Ф+ЦIII). Цементит третичный (ЦIII) располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита (рис. 15).
Стали в равновесном (отожженном) состоянии подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02% до 0,8% углерода. Структура их состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна). С увеличением содержания углерода увеличивается количество зерен перлита, а феррита уменьшается (см. рис. 15).
Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода. Структура ее состоит только из перлита (П). Строение перлита различимо при относительно больших увеличениях (×600). При полировке и травлении шлифа на его поверхности создается рельефность. Твердые, малотравящиеся пластинки цементита выступают над ферритными и затеняют их и, кроме того, из-за повышенной травимости феррита, он выглядит тусклым темным (см. рис. 15).
Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода. Структура их состоит из перлита и цементита вторичного (П + ЦП).
Цементит вторичный, выделяясь из аустенита при медленном охлаждении, образуется более или менее сплошную сетку, располагающуюся по границам перлитных участков. Толщина сетки увеличивается с повышением содержания углерода в стали (см. рис. 15).
Рис. 15. Микроструктуры сталей с различным содержанием углерода:
1 – сталь Ст3 (0,17% С), 2 – сталь 35 (0,35% С), 3 – сталь У8 (0,8% С),
4 – сталь У10 (1% С)
Свойства углеродистых сталей зависят от содержания в ней углерода. По мере увеличения содержания углерода возрастает массовая доля цементита в сталях и уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали, но снижает ее пластичность (рис. 16).
Рис. 16. Зависимость механических свойств стали от содержания в ней углерода
Изменяются физические и технологические свойства. К технологическим свойствам сталей относятся свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением, стойкость к изнашиванию, восприимчивость к закалке, стойкость к отпуску и др.
Например, стали с содержанием углерода до 0,37% хорошо свариваются, при повышении содержания углерода свариваемость ухудшается. Стойкость сталей к изнашиванию, наоборот, возрастает при увеличении содержания углерода.
По структуре стали, находящейся в равновесном состоянии с помощью микроскопа можно определить содержание в ней углерода. Практически весь углерод стали находится в перлите, в феррите при комнатной температуре углерода очень мало (10–7%). Определяется площадь поверхности микрошлифа стали, занятая перлитом. Например, она составляет 50%. Зная, что в перлите 0,8% углерода, составляется пропорция и определяется содержание углерода:
100% П – 0,8% С
50% П – x% С
x = 0,8·50/100 = 0,4% С
По ГОСТ 1050-89 сталь содержащая 0,4% С, является качественной конструкционной марки 40.
При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали устанавливают площади поверхности шлифа, занятых перлитом и цементитом вторичным. Затем определяется содержание углерода в перлите и цементите. Сумма полученных результатов является содержанием углерода.
Углеродистые стали относятся к числу самых распространенных конструкционных материалов. Объем производства достигает 80% от общей выплавки стали. Достоинства этих сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью и низкой стоимостью. К главным недостаткам углеродистых сталей относятся высокая критическая скорость закалки, небольшая прокаливаемость (до 15 мм), невысокая стойкость к отпуску.
Учитывая свойства сталей и требования к ним, углеродистые стали по назначению делятся на
- строительные, содержащие до 0,37% С;
- машиностроительные или конструкционные, содержащие до 0,85% С, которые в зависимости от окончательной термической обработки подразделяются на цементуемые (0,3%), улучшаемые (0,3–0,5%) и средне-отпущенные или рессорно-пружинные (0,5–0,85%);
- инструментальные углеродистые стали, содержащие от 0,7 до 1,3% С.
В значительной степени свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и области их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы, фосфора, неметаллических включений, газов. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество. Соответственно углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) содержат значительное количество вредных примесей, до 0,07% фосфора, 0,06% серы. Содержание углерода в них 0,06–0,49, в равновесном состоянии они имеют феррито-перлитную структуру. Стали обыкновенного качества выпускают преимущественно в виде различных профилей, листов, проволоки.
Маркируются стали обыкновенного качества буквами «Ст» и цифрами, показывающими условный номер марки. Чем больше условный номер стали, тем больше содержание углерода и перлита в ней и тем выше ее прочность.
Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3кп, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.
Углеродистые стали обыкновенного качества применяются для изготовления ненагруженных деталей машин и механизмов, крепежных деталей. Стали Ст5 и Ст6 предназначены для изготовления рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.
Буквы кп, пс, сп, стоящие за цифрой указывают степень раскисления стали (кипящая, полуспокойная, спокойная). Из спокойной стали наиболее полно удален кислород, они надежно эксплуатируются при температурах до –50°С.
Стали качественные конструкционные (ГОСТ 1050-89) содержат не более 0,035% фосфора, не более 0,04% серы. Углерода в них 0,05–0,85%. Выпускаются следующие марки: 05кп, 08кп,08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85.
Двузначные числа в марке показывают содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода их подразделяют на малоуглеродистые (0,05–0,25%С), среднеуглеродистые (0,25–0,6%), высокоуглеродистые (0,6–0,85%). Стали 05кп, 08кп, 08, 10 идут на изготовление деталей сложной конфигурации методом холодной штамповки (кузова автомобилей, корпуса, кожухи, резервуары, емкости, трубы средней прочности и др.). Из сталей 15, 15кп, 20 изготавливают болты, гайки, винты, шпильки, пальцы, оси, крюки и другие детали неответственного назначения. Часто детали из этих сталей подвергают поверхностному упрочнению цементацией или цианированием. Стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления осей, коленчатых валов, шатунов, втулок, винтов, шайб и др. Стали с повышенным содержанием углерода и марганца (65, 70, 80, 60Г, 65Г, 70Г) применяются в качестве рессорно-пружинных. Из стали 75 изготавливают крановые колеса, из стали 85 впускные клапаны компрессоров.
Для изготовления обработкой резанием на станках-автоматах деталей массового производства (винты, гайки, болты, шпильки, зубчатые колеса) применяют стали с повышенным содержанием серы (до 0,3%), фосфора (до 0,16%) и часто марганца (до 1,5%). Такие стали называются автоматными. Они хорошо обрабатываются резанием вследствие образования ломкой и мелкой стружки. В соответствии с ГОСТ 1414-75 автоматные стали маркируют А11, А12, А20, А30, А40Г. в обозначении марки буква А указывает, что сталь автоматная, цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Улучшение обрабатываемости резанием достигается введением в сталь свинца (АС11, АС40).
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74) выпускаются качественными (У7–У13) или высококачественными (У7А–У13А, содержание серы не более 0,02%, фосфора < 0,03%). В марке буква У показывает, что сталь углеродистая инструментальная, а цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная.
Наиболее пластичные из названных сталей (доэвтектоидная У7, У7А, эвтектоидная У8, У8А) идут на производство молотков, стамесок, зубил, штампов и прочего инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок.
Из сталей У10, У11, У11А изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы и прочий мерительный и режущий инструмент для резания дерева, мягких материалов, из сталей У12, У13, У13А – твердый, работающий без ударных нагрузок инструмент (напильники, рашпили, бритвы).
Порядок выполнения работы
1. Начертить область диаграммы состояния системы Fe-Fe3C, соответствующую сталям.
2. На диаграмме состояния Fe-Fe3C провести вертикальные линии, соответствующие рассматриваемым сплавам и дать описание процессов превращений при охлаждении.
3. Изучить и зарисовать микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей. Микроструктуры зарисовать в кругах диаметром 30–40 мм или в квадратах 40´40 мм. Нет надобности передавать фотографически точное изображение. При зарисовке необходимо уловить характерные особенности структуры (например, зерна пластинчатого перлита штрихуются в разных направлениях, а структура феррита изображается только границами зерен). Под каждой зарисованной микроструктурой указать наименование сплава, указать фазы и структурные составляющие, увеличение.
4. Определить количество углерода в заданной стали и определить ее марку.
5. Определить твердость исследуемых деталей (не менее трех) на приборе Роквелла и построить графики зависимости твердости от количества углерода. Сделать выводы.
6. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.
Контрольные вопросы
1. Какие сплавы называются сталями?
2. Как классифицируются углеродистые стали по структуре?
3. Какие фазы и структурные составляющие имеются в углеродистых сталях?
4. Как изменяются механические свойства углеродистых сталей по мере увеличения содержания углерода?
5. Как определяется содержание углерода в сталях по микроструктуре?
6. Как классифицируются стали по назначению?
7. Какие вредные примеси влияют на качество стали?
8. Как маркируются стали обыкновенного качества, их применение?
9. Как маркируются стали качественные конструкционные, их применение?
10. Как маркируются углеродистые инструментальные стали, их применение?
11. Какие стали называются автоматными, их маркировка и применение?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5