Краткие теоретические сведения

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии характеризуется нижней левой частью диаг­раммы состояния Ре-С (рис. 8.1). Сплавы с содержанием до 0,02 %С называются техническим же­лезом, от 0,02 до 0,8 %С дозвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0.8 %С называется эвтектоидной сталью; с содержанием от 0,8 до 2.14 %С заэвтектоидными сталями.

Рисунок 8.1 – Нижняя левая часть диаграммы состояния Fе-С

Железо и углерод образуют в сталях следующие структуры (фазы).

1. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fе (железо имеет ГЦК решетку). Растворимость углерода в ГЦК решетке железа зависит от темпера­туры и составляет при 727°С 0,8 %, а при 1147 °С – 2,14 %. Аустенит имеет низкую твердость, которая зависит от температуры и содержания углерода, и высокую пластичность (δ = 50 %).

2. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-Fе (же­лезо имеет ОЦК решетку). Предельная растворимость углерода в ОЦК решетке железа составляет: при 20 °С – 0,006%, а при 727°С – 0,02 %. Феррит имеет низкую твердость (НВ 80...90) и высокую пластич­ность (δ = 50 % ). При просмотре в микроскоп ферритные зерна выгля­дят светлыми, разделенными темной сеткой границ зерен.

3. Цементит – химическое соединение углерода с железом Fе₃С (карбид железа). Концентрация углерода в цементите всегда посто­янна и составляет 6,67 %. Цементит обладает высокой твердостью (НВ 809) и низкой пластичностью, Он плохо травится в химических растворах и при просмотре в микроскоп наблюдается в виде светлых включений,

4. Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цемен­тита, получающаяся в результате распада аустенита с 0,8 %С. Фер­рит и цементит располагается в виде чередующихся пластинок. Твердость перлита составляет НВ 210, пластичность δ = 15 %. Травле­ный перлит в микроскопе выглядит более темным по сравнению с ферритом. При больших увеличениях можно наблюдать перлит как че­редующиеся темные (цементит) и светлые (феррит) пластинки.

Микроструктура технического железа. Растворимость углерода в α-Fе зависит от температуры и изменяется по линии PQ (см. рис. 8.1). С понижением температуры она уменьшается от 0.02 %С (при 727 ⁰С) до 0,006 %С (при 20°С). В связи с этим сплавы железа с со­держанием до 0,006 %С имеют структуру только феррита (см. атлас микроструктур) (рис. 8.2 а),

В сплавах с содержанием от 0,006 %С в связи с понижением растворимости углерода в α-Fe при понижении температуры из ферри­та выделяется цементит, называемый третичным (Ц,_III). Третичный це­ментит выделяется по границам зерен феррита.

Рисунок 8.2 – Схема микроструктур технического железа (а), доэвтектоидной (б), эвтектоидной (в) и зазвтектоидной (г) сталей

Микроструктура доэвтектоидной и эвтектоидной стали. Микрост­руктура доэвтектоидной стали (до 0.8 %С) состоит из феррита и перлита. После травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (см. рис. 8.2 б).

Колличество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода коли­чество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается (см. атлас микроструктур).

По структуре доэвтектоидной стали можно приблизительно опре­делить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую ферритом и перлитом. Так как в феррите растворено очень небольшое количество углеро­да, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите. Тогда содержание углерода С в стали можно определить по фор­муле:

где F_п - площадь, занимаемая перлитом.

Предположим, например, что 30 % всей площади занято ферритом, 70 % перлитом. Содержание углерода в такой стали будет

Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 %С) состоит из одного перлита (см. рис. 8.2 в). В зависимости от скорости охлаждения плас­тины цементита в перлите могут быть длиннее или короче, толще или тоньше (см. атлас микроструктур).

Микроструктура заэвтектоидной стали. Сталь с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называется заэвтектоидной и имеет структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита (см. рис.8.2). Вторичный цементит (Ц_II) выделяется из аустенита при охлаждении от температуры Аст (линия SЕ) до температуры Аr (линия РSК) (см. рис. 8.1).

При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в ви­де сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аг аустенит превращается в перлит. Образуется структура: вторич­ный цементит в виде сетки и зерна пластинчатого перлита. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка (см. атлас микроструктур).