2.2 Структура отожженной стали.

Из диаграммы состояния видно, что техническое железо может быть однофазным (Ф) или двухфазным (Ф+Ц₃). Округлые зерна феррита при протравлении шлифа 4-6- процентным раствором азотной кислоты в спирте имеют цвет светлой солому. Светло-голубой Ц₃ располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита. Феррит мягок и пластичен (). Цементит тверд (800 HB) и хрупок, разрушение при растяжении происходит практически без удлинения образца.

В структуре сталей по мере увеличения содержание углерода возрастает массовая доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости прочности стали, к снижению е пластичности, изменению физических и технологических свойств. Таким образом, структура сталей зависит от содержания углерода.

Доэвтектоидные стали содержат С<0.8% и состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна). Пропорционально увеличению в них содержания углерода растет доля перлита (см. рис.).

Общее количество углерода в стали равно: C = C_{феррита} + C_{перлита} = C_{перлита}

В последнем, находится практически весь углерод стали, т.к. в феррите при комнатной температуре углерода крайне мало (10^-7%). Если допустить, что значения плотности феррита и цементита соизмеримы, то по структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можно определить содержание в ней углерода. Для этого при любом рекомендуемое увеличение микроскопа определяется площадь поверхности шлифа стали, занятой перлитом.

Рис.4. Структура доэвтектоидных сталей с различным содержанием углерода (С_а<С_б<С_в).

Например, если в стали содержится 50% перлита, то количество углерода в ней:

С =  0,40%,

Где 0,8 – процентное содержание углерода в перлите.

По ГОСТ 1050-88 сталь, содержащая 0,40% С, является качественной конструкционной марки 40.

Эвтектоидной называется сталь, содержащая 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита. Перлит (перламутр) является двухфазной структурной составляющей, представляющей собой смесь феррита и цементита пластинчатого (см. рис.) или зернистого (см. рис.) строения. Пластинчатый перлит состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Они образуются при температуре 727 ⁰С, (точка S см. рис.) на границах зерен исходной высокотемпературной фазы (аустенита) и растут одновременно по направлению от границ к центру аустенитного зерна. В результате аустенитное зерно разделяется на несколько частей с определенной, но различной относительно друг друга, ориентировкой взаимно параллельных пластинок феррита и цементита. Каждая такая часть представляет собой перлитное зерно. Следовательно, в одном аустенитном зерне при эвтектоидном превращении формируются несколько зерен перлита. Перлит состоит из двух фаз феррита и цементита, обладающих различной твердостью, полируемостью и травимостью в реактивах. При полировке и травлении шлифа на его поверхности создается рельефность. Твердые малотравящиеся пластины цементита выступают над ферритными и остаются светлыми и блестящими. Утопающий между ними мягкий феррит оказывается затененным и кроме того из-за повышенной травимости, тусклым и темным. Поскольку в перлите содержится сравнительно мало (около 9%) цементита, перлит в сталях (и в белых чугунах) при микроскопическом исследовании выглядит темным, но не черным, как различного рода пустоты.

Перлит зернистый всегда светлый, цементит в нем имеет округлую форму. Зернышки (сфероиды) цементита расположены в ферритной матрице. Структура перлита зернистого после специальной термической обработки могут иметь не только эвтектоидная, но и до- и заэвтектоидные стали. Поэтому определять содержание углерода в стали по структуре зернистого перлита не рекомендуется. Зернистый перлит имеет меньшую твердость (160-220 НВ), чем пластинчатый (200-250 НВ), лучше обрабатывается резанием.

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% С и имеют структуру П+Ц₂. Темные перлитные участки окружены более или менее сплошной светлой сеткой цементита вторичного (см. рис.), толщина которой увеличивается с повышением содержания углерода в стали. Отличительными особенностями сетки цементита вторичного от сетки феррита избыточного в доэвтектоидных сталях с повышенным содержанием углерода являются разобщенность зерен феррита и их стремление к округлению.

а) б)

Рис.5. Структура заэвтектоидной стали:

а) травление 4% раствором HNO₃; б) травление пикратом натрия.

Таким образом, феррит и цементит встали при обычном травлении (4% раствором HNO₃ в спирте) видны в виде светлых составляющих. Для установления фазового состава светлой сетки вокруг перлитных участков шлиф переполировывают и травят раствором пикрата натрия, который окрашивает цементит в черный цвет и не действует на феррит.

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали по ее структуре следует с помощью микроскопа установить площадь поверхностей шлифа, занятых перлитом и цементитом вторичным. Затем из соответствующих пропорций определить содержание углерода, находящегося в перлите и цементите вторичном. Сумма полученных результатов представляет собой содержание углерода в заэвтектоидной стали.