Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Феррит – твердый раствор углерода в железе Fe α. В феррите максимально растворяется при температуре 727°С 0,02%С. С понижением температуры до комнатной растворимость углерода уменьша­ется до 0,006%. Феррит – мягкая, пластичная фаза, его твердость HB<100, он магнитен.

Аустенит – твердый раствор углерода в Fe γ. При температуре 1147°С растворяет до 2,14%С, при температуре 727°С – 0,8%С.Микроструктура аустенита – светлые зерна с двойниками. Аустенит не­магнитен, вязок, поэтому при обработке стали давлением её нагревают до аустенитного состояния. Твердость аустенита НВ 200.

Цементит – химическое соединение Fе С, образуется при содержании углерода 6,67%, он имеет высокую твердость (HВ 800), отличается хрупкостью, присутствует в микроструктуре стали в виде светлой сетки по границам зерна, в чугуне – в виде светлых игл.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Перлит – эвтектоид, т.к. эта смесь образуется в твердом состоянии при распаде аустенита, содержащего 0,8%С при температуре 727°С.Твердость перлита зависит от величины пластинок цементита (НВ 180…240)

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита (эвтектика). Образуется смесь при кристаллизации из жидкого расплава, имеющего концентрацию 4,3%С при температуре 1147°С. При температуре 727ºС ледебурит видоизменяется. Это связано с распадом аустенита на смесь Ф + Ц, следовательно, произойдет превращение:

 – видоизмененный ледебурит.

Ледебурит хрупок, имеет твёрдость НВ700.

 

Анализ диаграммы Fe – Ц

АСД – линия ликвидус. Линия АС соответствует температуре начала кристаллизации аустенита. В сплавах с содержанием С<2,14% кристаллизация аустенита заканчивается на линии АЕ. Концентрацию аустенита в интервале температур определяют по линии АЕ.

По мере кристаллизации аустенита содержание углерода в жидкости увеличивается, оно приближается к 4,3% и определяется по линии AC. (рисунок 6.2).

Участок СД соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава. По мере кристаллиза­ции цементита концентрация жидкости  изменяется по линии СД и стремится к 4,3%С.

AECF – линия солидус. При этих температурах кристаллизация заканчивается. Сплавы с содержанием углерода до 2,14% (стали) ниже линии АЕ находятся в виде аустенита.

ECF – линия ледебуритного превращения. При этой температуре оставшийся жидкий сплав  эвтектического состава (4,3%C) кристаллизуется в виде смеси А + Ц (ледебурит).

В структуре сплавов Fе – Ц превращения происходят и в твердом состоянии. Это связано:

а) с переходом Fe γ → Fe α;

б) с уменьшением растворимости углерода в решетке с понижением температуры.

G S – линия, которая определяет температуру начала выделения из аустенита феррита. Её температура меняется от 910º для железа до 727°С для сплава, содержащего 0,8%C. Феррит, выде­лившийся из аустенита, содержит не более 0,02%С. Его появление ведет к обогащению углеродом оставшегося аустенита до 0,8% (растворимость определяется по линии GS). В точке S аустенит, содержащий 0,8%С, распадается на смесь Ф + Ц, которая называется – перлит (эвтектоид).

Линия PSK – линия перлитного превращения. При этой температуре заканчиваются фазовые превращения в сплавах. В результате превращения сталь, содержащая до 0,8%С, имеет в структуре Ф + П. Эта сталь называется – доэвтектоидная.

В заэвтектоидной стали (C>0,8%) с понижением температуры ниже линии SE растворимость углерода уменьшается от 2,14% до 0,8%. Углерод выходит из аустенита в виде цементита вторичного, который тонкой сеткой окружает зерно аустенита. Так как цементит отличается высоким содержанием углерода (б,67%), то его выделение ведет к уменьшению количества углерода в аустените до 0,8%. Аустенит на линии SК превращается в перлит. Структура заэвтектоидной стали – П + Ц^II.

Аналогичные изменения наблюдаются с понижением температуры в чугунах. В зависимости от состава сплав, содержащий 4,3%С, будет иметь в структуре ледебурит (эвтектический чугун), от 2,14 до 4,3%С – структуру П + Л + Ц  (доэвтектический чугун), более 4,3%С – структуру Л + Ц  (заэвтектический чугун). Таким образом, чем больше в чугуне углерода, тем больше места в его структуре занимает цементит.

Все описанные при охлаждении изменения структуры обратимы. Например, при нагреве сплавов до линии PSK перлит снова объединяется в аустенит, при дальнейшем нагреве феррит превращается в аустенит, цементит растворяется в аустените и т.д.

Рассмотрим превращения в некоторых железоуглеродистых сплавах на кривых охлаждения, построенных с помощью правила фаз по диаграмме Fe–Ц (рисунок 6.2 а, в).

 

Углеродистые стали

Сплав 1 (доэвтектоидная сталь). В критической точке 1 началась кристаллизация аустенита. На участке 1–2 в сплаве присутствуют две фазы: Ж, A. Согласно правилу фаз С = К + 1 – Ф = 2+1–2=1. Скорость охлаждения сплава замедлится, т.к. процесс кристаллизации сопровождается выделением внутренней энергии. В т. 2 кристаллизация закончилась, и на участке 2–3 аустенит охлаждается без превращений (С=2+1–1=2, две степени свободы).

В т. 3 из аустенита начал выделяться феррит, который содержит не более 0,02%С. В процессе перестройки на участке 3–4 С = 2 + 1 – 2 (А, Ф) = 1. Содержание углерода в оставшемся аустените увеличивается до 0,8%С.

В т. 4 происходит распад А → Ф + Ц. Число степеней свободы С = 2 +1– 3 (А, Ф, Ц) = 0. В этом случае система безвариантна, процесс идет при постоянной концентрации и температуре. В т. 4' распад аустенита заканчивается, фазовые превращения прекращаются, доэвтектоидная сталь после охлаждения имеет структуру: П + Ф (рисунок 6.2 б; 6.3).

По микроструктуре доэвтектоидной стали с достаточной степенью точности можно определить содержание углерода. Приняв во внимание, что содержание углерода в феррите ничтожно мало, можно допустить, что имеющийся в стали углерод сосредотачивается в зернах перлита. Это позволяет составить пропорцию:

 

I00%П  ― 0.8%C

 —  X       т.е. ,                                                   (6.1)

где F  – площадь, занятая перлитом, %;

    X  – содержание углерода, %.

Чем больше в стали углерода, тем больше перлита в его структуре.

Сплав II (эвтектоидная сталь, 0,8%С). До т. 3 кристаллизация в сплаве проходит аналогично доэвтектоидному сплаву. В точке 3 аустенит распадается на эвтектоид перлит, смесь Ф + Ц. Число степеней свободы С = 2 + 1 – 3 (А, Ф, Ц) = 0, т.е. процесс идёт при постоянной концентрации, ни температуре. В структуре стали наблюдаем зерна перлита.

Сплав III (заэвтектоидная сталь, C>0,8%). До т. 3 процесс кристаллизации у любой стали начинается одинаково. По мере охлаждения заэвтектоидной стали ниже т. 3 растворимость углерода в аустените изменяется по линии SE. Из аустенита выделяется вторичный цементит, скорость охлаждения при этом уменьшается, С = 2 + 1 – 2(А, Ц) = 1. При понижении температуры до линии PSК в аустените остается 0,8%С, и на участке 4–4' он распадается на перлит, C=2+1–3=0. В структуре заэвтектоидной стали имеем П + Ц , количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода.

Зная площади, занимаемые различными структурными составляющими, можно определить содержание углерода в заэвтектоидной стали. Например, если 95% площади шлифа занимает перлит, а вторичный цементит – 5%, то содержание углерода в стали – x, %:

1) на участках перлита содержится углерода Х , %:

2) в цементитной сетке – X :  100%Ц ― 6,67%С

                                       5%Ц — X

т.е.

в) общее содержание углерода в стали:

x = x  + x  = 1,11% С

Зная содержание углерода в стали, можно определить количество площадей различных структур, применяя правило отрезков. Например. Если в сплаве содержится 1%C, то

,                                                                    (6.2)

где – отрезок, определявший площадь, занимаемую перлитом;

 – отрезок, определяющий площадь всего шлифа;

 – площадь перлита, %;

 – площадь шлифа, %.

; 96% F

Площадь перлита занимает 96% площади шлифа.

 

Белые чугуны

Сплавы с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами. Чугуны, в которых углерод находится в виде цементита, называются белыми. Кривые охлаждения чугунов показаны на рисунок 6.2 в.

Сплав V (С =4,3%, эвтектический чугун). У эвтектического сплава кристаллизация начинается в т. 1 с образования смеси аустенита и цементита (ледебурита). Число степеней свободы С = 2 + 1 – 3 (Ж , А, Ц) = 0, т.е. этот процесс проходит при постоянной температуре 1147ºС на участке 1–1' и концентрации 4,3%С.

На линии PSK (т. 2) ледебурит видоизменяется:

Число степеней свободы С=2+1–3(А, Ц, Ф) = 0, следовательно, процесс идет на участке 2–2' также при постоянной температуре.

 

Рисунок 6.3 – Микроструктура стали после отжиге (х300): а – армко–железо, структура – феррит; б – Сталь 10, структура – феррит и перлит; в – сталь 45, структура – перлит и феррит; г – Сталь 60, структура – перлит и феррит; д – сталь У8, структура – перлит; е – сталь У13, структура – перлит и цементит

 

Сплав IV (доэвтектический чугун). В чугунах с содержанием углерода менее чем 4,3%  в т. 1 начинает кристаллизоваться аустенит. При этом концентрация углерода в оставшейся жидкости оп­ределяется по линии АС и стремится к 4,3%С. Число степеней свободы на участке 1–2  С = 2 + 1 – 2 {Ж, А) = 1. Скорость охлаждения уменьшилась.

В т. 2 оставшаяся жидкость приобрела эвтектическую кон­центрацию, началась одновременная кристаллизация А + Ц, образуется смесь – ледебурит. Число степеней свободы С = 2 + 1 – 2 (Ж, А, Ц) = 1, т.е. процесс идет при постоянной температуре на участке 2–2'. В т. 2' кристаллизация закончилась. При дальнейшем охлаждении из–за уменьшения растворимости углерода из аустенита выделяется цементит вторичный. Значительного уменьшения скорости охлаждения при этом не происходит.

В точке 3 аустенит, избавившись от лишнего углерода, распадается на механическую смесь перлит (Ф + Ц), ледебурит видоизменяется, число степеней свободы С = 2 + 1 – 3 (А, Ф, Ц) = 0, т.е. процесс на участке 3–3¹ идет также при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении превращений в сплаве не будет. Структура доэвтектического чугуна состоит: П+Л+Ц .

Сплав VI (заэвтектический чугун). У заэвтектического чугуна кривая охлаждения отличается от предыдущей кривой верхней частью, т.к. кристаллизация начинается в т. I с выделения из жидкости цементита первичного, процесс связан с уменьшением скорости охлаждения. На участке 1–2 C = 2 + 1 – 2 (Ж, Ц) = 1. В т. 2 в оставшейся жидкости установилась равновесная концентрация, началась одновременная кристаллизация аустенита и цементита (ледебурита), С = 2 + 1 – 3 (Ж, А, Ц) = 0. Процесс проходит на участке 2–2¹ при постоянной температуре. При температуре линии РSК аустенит превращается в перлит, в структуре чугуна можно увидеть видоизмененный ледебурит и первичный цементит.

 

6.6 Содержание отчёта

 

В отчёт включается: цель работы, определение структурных составляющих (аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит) и их краткая характеристика, определение стали, чугуна и их разновидности в зависимости от содержания углерода, результаты испытаний (табл. 6.1.), а также расчёт содержания углерода в стали (пункт 6.4.6.)

 

6.7 Вопросы для контроля

6.7.1 В чем заключается полиморфизм железа?

6.7.2 Дать определение перлита, феррита, аустенита, ледебурита, цементита.

6.7.3 Что такое сталь, чугун? Указать их разновидности в зависимости от содержания углерода по структуре.

6.7.4 Указать структурные и фазовые составляющие железоуглеродистых сплавов.

6.7.5 Объяснить методику определения содержания углерода по микрошлифу.

6.7.6 Построить кривые охлаждения сплавов с различным содержанием углерода и их структуру.

6.7.7 Привести примеры маркировки сталей и их классификацию по назначению (таблица 6.2; 6.3).

 

Таблица 6.2 – Маркировка, химический состав, механические свойства и применение

углеродистой стали

Марка стали	Химический состав,  %					Механические свойства			Применение
	С	Мn	Si	S	P	НВ, МПа	, МПа	δ, %
				не более			не менее
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Конструкционные стали обыкновенного качества ГОСТ 380–88
Ст. 0	До 0,23	–	–	0,060	0,070	200	350	22	Колпаки, шайбы.
Ст. 1	0,07–0,12	0,3 –0,50	–	0,055	0,050	220	350	33	Метизы, гайки, болты.
Ст. 2	0,09–0,15	0,35–0,50	–	0,055	0,050	250	350	31	Для штамповки.
Ст. 3	0,14–0,22	0,40–0,65	0,12–0,30	0,055	0,050	320	420	24	Сварные конструкции.
Ст. 4	0,18–0,27	0,40–0,70	0,10–,30	0,055	0,050	350	4 0	24	Ненагруженные валы, оси, втулки.
Ст.5	0,28–0,37	0,50–0,80	0,17–0,35	0,055	0,050	380	570	20	Фланцы, пальцы, звездочки.
Ст. 6	0,38–0,50	0,50–0,80	0,17–0,35	0,055	0,050	400	650	14	Оси, пружины.
Ст. 7	0,50–0,63	0,55–0,85	0,17–0,50	0,055	0,050	500	700	10	Рессоры, пружины.
Качественные конструкционные стали после нормализации ГОСТ 1050–88
05 кп	0,06	0,40	0,03	0,040	0,035	121	230	28	Детали, изготавливаемые холодной штамповкой.
08 кп	0,05–0,11	0,25–0,60	0,03	0,040	0,040	131	300	35	Детали с высокой пластичностью трубки, шайбы, вилки и др.
25	0,22–0,30	0,50–0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	170	460	23	Оси, валы, муфты, болты, винты, шайбы, фланцы и др.
30	0,27–0,35	0,50–0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	179	500	21	Детали, не испытывающие больших напряжений: тяги, серьги, оси, траверсы, звёздочки, диски, обода, шпиндели, шайбы, цилиндры прессов, гайки.
40	0,37–0,45	0,50–0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	217	580	19	Шатуны, шестерни, оси, валы, штоки, подвески, фланцы, диски
50	0,47–0,55	0,50–0,80	0,17-0,37	0,040	0,040	241	640	14	Шестерни, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки.
65	0,62–0,70	0,50–0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	255	710	10	Пружины, рессоры.
70	0,67–0,75	0,50-0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	269	730	9	Пружины, рессоры.
80	0,77–0,85	0,50–0,80	0,17–0,37	0,040	0,040	295	950	6	Шпиндели и центры токарных станков.

 

 

Таблица 6.3 Маркировка, химический состав, механические свойства стали инструментальных качественных сталей ГОСТ 1435–90

Марка стали	Химический состав, %					Твёрдость, НВ (зернистый перлит)	Применение
	С	Mn	Si	S	P
				не более
У7	0,65–0,74	0,20–0,40	0,15–0,25	0,030	0,035	187		Инструмент, подвергающийся ударам: зубила, штампы, молотки, стамески и др.
У8	0,75–0,84	0,20–0,40	0,15–0,35	0,030	0,035	187		Инструмент, подвергающийся ударам: штампы, матрицы, пуансоны, пробойники, слесарный инструмент, пилы, зубила.
У9	0,85–0,94	0,15–0,35	0,15–0,35	0,030	0,035	192		Инструмент, требующий твердости и вязкости: штемпели, кернеры, столярный инструмент.
У10	0,95–1,04	0,15–0,35	0,15–0,35	0,030	0,035	197		Режущий измерительный инструмент: резцы, сверла, фрезы, метчики, калибры, плитки .
У11	1,05–1,14	0,15–0,35	0,15–0,35	0,030	0,035	207		Режущий измерительный инструмент.
У12	1,15–1,24	0,15–0,35	0,15–0,35	0,030	0.035	207		Режущий, мерительный и хирургический инструменты.
У13	1,25–1,35	0,15–0,35	0,15–0,35	0,030	0,035	217		Резцы по металлу, бритвы, гранёный инструмент.

 

 

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 767; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!