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.

Приборы и оборудование: 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. 30).

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 (d_в = 40 МПА), t_пл = 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 s_в = 250 МПа; НВ 60–90 (600–900 МПа); s_т = 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 (39):

(39)

 

В зависимости от формы частичек цементита перлит бывает пластинчатым и зернистым. Пластинчатый перлит имеет s_в = 800 МПа; НВ 230; d_в = 9–12%; у зернистого перлита s_в = 700 МПа; НВ 190;d_в = 18 – 25%.

 

 

 

Рис. 30. 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+Ц_III). Цементит третичный (Ц_III) располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита (рис. 31).

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. 31).

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. 31).

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода. Структура их состоит из перлита и цементита вторичного (П + Ц_П).

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. 31).

 

 

Рис. 31. 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. 32).

 

 

 

Рис. 32. 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).