Твердость металлов

Компоненты  и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся  к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой  в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

     Аустенит (обозначают A или g) – твердый раствор внедрения углерода в Feg. Имеет ГЦК – решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

    Феррит (обозначают Ф или a) – твердый раствор внедрения углерода в Fea. Имеет ОЦК – решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 °C), при 20 °C менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 °C, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 °C.

Превращения в  железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (рис. 1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита. 
Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Рис. 1. Диаграмма  состояния Fe – Fe₃C (в упрощенном виде).

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации  в другую и за счет изменения растворимости  углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe₃C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °C)

Ж_С> (А_Е+Ц_F);

Эвтектоидное  превращение на линии PSK (727 °C)

A_S > (Ф_Р + Ц_К) .

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы  частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной  составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы  состояния Fе – Fе₃C

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим  значение линий диаграммы при  медленном охлаждении.

ACD – линия  ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. 
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. 
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. 
CD – линия выделения первичного цементита. 
AE – заканчивается кристаллизация аустенита. 
ECF – линия эвтектического превращения. 
GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 °C). 
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита. 
PSK – линия эвтектоидного превращения. 
ES – линия выделения вторичного цементита. 
PQ – линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы  состояния Fe – Fe₃C

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области  равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует  определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I – Жидкий  раствор (Ж). 
II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А). 
III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (Ц_I). 
IV – Кристаллы аустенита (А). 
V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф). 
VI – Кристаллы феррита (Ф). 
VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (Ц_II). 
VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (Ц_III). 
IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П). 
X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (Ц_II). 
XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (Ц_II). 
XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (Ц_II) и ледебурита превращенного (Л пр). 
XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (Ц_I). 
XIV – Кристаллы цементита первичного (Ц_I) перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Название работы. 
2. Цель работы. 
3. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C с обозначением фаз и структурных состовляющих по всем областям диаграммы. 
4. Характеристика линий и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. 
5. Подробное описание изменений структуры при медленном охлаждении контрольного сплава. (Фрагмент диаграммы с контрольным сплавом).

6. Схема микроструктуры контрольного сплава при нормальной температуре. 
7. Выводы.

 

8. Рис. 2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe₃C с нанесенной ординатой  
   состава сплава, содержащего 1,3 % C.

 

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое  фаза? 
2. Что такое аустенит? 
3. Что такое феррит? 
4. Что такое цементит? 
5. Какими линиями диаграммы ограничивается температурный интервал первичной кристаллизации? 
6. В чем состоит сущность эвтектического превращения? 
7. В чем состоит сущность эвтектоидного превращения? 
8. Что такое ледебурит? 
9. Что такое перлит? 
10. На какой линии происходят эвтектические превращения? 
11. На какой линии происходят эвтектоидные превращения? 
12. Линия выделения первичного цементита? 
13. Линия выделения вторичного цементита? 
14. Линия выделения третичного цементита? 
15. Назовите фазы железоуглеродистых сплавов. 
16. Максимальное растворение углерода в Fea? 
17. Максимальное растворение углерода в Feg? 
18. Содержание углерода в цементите? 
19. При какой температуре происходит эвтектическое превращение? 
20. При какой температуре происходит эвтектоидное превращение?

 

 

 

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ  СПЛАВОВ

№ п/п	% С	№ п/п	% С	№ п/п	% С
1	0,2	11	5,1	21	1,2
2	1,1	12	2,8	22	3,5
3	3,0	13	1,1	23	4,3
4	4,3	14	0,45	24	5,5
5	5,0	15	1,7	25	0,15
6	0,02	16	1,0	26	0,8
7	0,35	17	4,5	27	0,9
8	0,8	18	2,7	28	2,4
9	1,3	19	0,7	29	4,7
10	2,5	20	0,4	30	1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном  состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографический  микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии  с различной массовой долей углерода.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Компоненты  и фазы в углеродистых сталях в равновесном  
состоянии

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с  углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %. 
Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910 °С, железо существует в a -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется a -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392 °С существует g -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается  в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).

 

 

Рис. 1. Фрагмент диаграммы состояния “железо-цементит”: 
а) фазовая; б) структурная.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в a -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в g -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе₃C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

Согласно фазовой  диаграмме "железо - цементит" (рис. 1а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует 15 процентов  цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.

Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются  в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме "железо - цементит" (рис. 1б).

Влияние массовой доли углерода на структуру и механические  
свойства стали

По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 2б) – эвтектоидная смесь феррита  и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 2б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 2а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Количественное соотношение  этих структурных составляющих зависит  от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень  мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся  постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.