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 |