МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы: Изучить микроструктуры углероди­стых статей с различным содержанием углерода, устано­вить связь между структурами в отожженном состоянии и диаграммой состояния системы "железо-углерод".

Приборы, инструмент и материалы: Металлографиче­ский микроскоп, циркуль, линейка, набор микрошлифов углеродистых сталей.

Микроструктура углеродистых сталей для равновес­ных условий характеризуется нижней левой частью диа­граммы состояния "железо-углерод" (рис. 1). Сплавы с со­держанием до 0,02%С называются техническим железом, от 0,02 до 0,8% - доэвтектоидными сталями, с содержа­нием углерода 0,8% - эвтектоидными и от 0,8 до 2,14%С - заэвтектоидными.

Структурными составляющими железа и углеродистых сталей являются феррит, аустенит, цемент, и перлит.

ФЕРРИТ - твердый раствор углерода в альфа-железе. Растворяет незначительное количество углерода. Раство­римость углерода в феррите переменная (линия PQ). При температуре 727°С в альфа-железе растворяется 0.02%С, а с понижением температуры растворимость его уменьшает­ся до тысячных долей процента - 0,006%С. Кристалличе­ская решетка - КОЦ кубическая объемно-центрированная. Феррит - мягкая (НВ 80), пластичная составляющая сталей. Под микроскопом она обычно имеет вид светлых зерен неправильной, преимущественно округлой формы с тонкими темными границами. Окраска зерен может быть различной. Одни выглядят более светлыми, а другие более темными, что объясняется различной кристаллографиче­ской ориентировкой осей зерен к плоскости микрошлифа. Поэтому зерна неодинаково отражает световые лучи .

Рис. 1

ЦЕМЕНТИТ — химическое соединение железа с углеродом, имеет химическую формулу Fe₃C. Образуется при со­держании углерода 6,67%. Цементит тверд (НВ 800) и хру­пок, слабо травится кислотами. При обычном травлении цементит, подобно ферриту, под микроскопом имеет светлый цвет. Но цементит более устойчив против кислот по сравнению с ферритом, поэтому он всегда возвышается над окружающим ферритом. И даже при сильном травле­нии поверхность цементита сохраняется гладкой и бле­стящей. Ферритные же зерна, из-за разъедания кислотой, становятся "шероховатыми" и частично окрашиваются.

Отличить цементит от феррита можно специальным травлением нитратом натрия. Он окрашивает цементит в черный цвет, феррит же остается светлым.

Различают первичный цементит, выделяющийся из жидкой фазы, вторичный цементит, который выпадает с понижением температуры из аустенита (линия SЕ), вслед­ствие переменной растворимости в нем углерода, и тре­тичный цементит, выделяющийся из феррита (линия PQ), из-за снижения растворимости углерода в альфа-железе.

ПЕРЛИТ — механическая смесь феррита с цементитом (эвтектоид). Образуется при распаде аустенита с 0,8%С на линии перлитного превращения диаграммы (А₁). Цементит в перлите может располагаться в форме пластинок из зерен, поэтому различают пластинчатый (Рис. 4) или зернистый перлит (Рис. 5). Зернистый перлит получают в ре­зультате специального сфероидизирующего отжига угле­родистых сталей. Перлит пластинчатый состоит из после­довательно чередующихся пластинок феррита и цементи­та. После обычного травления на микрошлифе образуется микрорельеф из-за большой кислотоустойчивости цемен­тита. Поэтому падающий в микроскопе на микрошлиф свет будет давать тени от выступов цементных пластинок на углубленные места (ферритные пластины). На микро­структуре пластинчатого перлита общей светлый фон - феррит, выступающие пластины - цементит, светлые места – тени. В зависимости от скорости охлаждения при отжиге дисперсность пластинок феррита и цементита в перлите может быть разной. Поэтому по степени дисперсности ферритокарбидной смеси различают ГРУБЫЙ, СРЕДНИЙ и ТОНКИЙ перлит. Средний и тонкий и называют, соответственно, СОРБИТОМ и ТРООСТИТОМ.

Они образуются при больших скоростях охлаждения, чем перлит. Структуры сорбита и троостита плохо разре­шаются под микроскопом при обычных увеличениях.

 

ДОЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ

Микроструктура доэвтектоидных сталей (до 0,8%С) со­стоит из феррита и перлита (Рис. 3). По мере увеличения содержания углерода в стали количество перлита возраста­ет, а феррита уменьшается. Поэтому по микроструктуре доэвтектойдной стали можно ориентировочно определить содержания в ней углерода. Для этого необходимо опреде­лить площадь в процентах, занимаемую ферритом и пер­литом.

В связи с малой растворимостью углерода в феррите, практически можно допустить, что весь углерод в доэвтек­тойдной стали находится в перлите. Отсюда, содержание углерода "C" стали можно определить по формуле:

 

 

где: Р – площадь занимаемая перлитом, %.

0.8 - содержание углерода в перлите, %.

Например, предположим, что 40% всей площади мик­рошлифа, видимой под микроскопом, занято ферритом, а 60% - перлитом. Такая сталь содержит углерода:

 

 

 

ЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ

В эвтектоидных сталях содержится 0,8%С. В отожжен­ном состоянии имеют однородную перлитную структуру (рис. 4). Первичная кристаллизация этих сталей закапчива­ется образованием аустенита и выше критической точки А₁ (727°С) эвтектоидные стали полностью состоят из аусте­нита.

АУСТЕНИТ - твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе. Кристаллическая решетка – ГЦК - кубиче­ская гранецентрированная. Предельная растворимость уг­лерода в аустените равна 2.14% (при 1147°С). Аустенит парамагнитен.

 

ЗАЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ

 

Стали, содержащие углерода от 0,8 до 2,14%, называют­ся заэвтектоидными. Их структура состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 6). Вторичный цементит выде­ляется из аустенита при охлаждении стали от линии ES до линии PSK (727°С) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры.

Вторичный цементит может располагаться в виде свет­лой (при обычном травлении) сетки вокруг перлитных зе­рен или в виде отдельных включений в зависимости от ус­ловий нагрева и охлаждения. При перегреве выше критической точки А₃ в процессе отжига и последующем медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в ви­де сетки по границам зерен. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более толстой получается цементитная сетка. При незначительном перегреве выше А₁ и несколько ускоренном охлаждении после выдержки образуется зер­нистый цементит.

 

 

Рис. 2

Рис. 3

 

 

 

 

Рис. 4

Рис. 5

 

 

 

 

п/п	Наименование и марка стали	Содержание углерода, %	Микроструктура
Зарисовка	Наименование
	Сталь 45	0,44	Рис. 2	доэвтектоидная
	У8	0,8	Рис. 4, 5	эвтектоидная
	У10	1,0	Рис.3	завтектоидная