Лабораторна робота №3

МЕТАЛОГРАФІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ. АНАЛІЗ ДІАГРАМИ СТАНУ Fе – Fе₃C ТА ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ВУГЛЕЦЮ НА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ І СТРУКТУРУ ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ

3.1 Мета роботи: вивчити основні структурні складові вуглецевих сталей, встановити вплив вуглецю на структуру сталі та встановити залежність твердості сталі від концентрації вуглецю, визначити зміну структури вуглецевих сталей в залежності від кількості вуглецю

3.2 Теоретичні відомості

Діаграма стану залізо-вуглець охоплює залізовуглецеві сплави, які містять вуглецю 0…6,67%. При концентрації вуглецю 6,67% утворюється тривка хімічна сполука Fe₃C – карбід заліза, яка називається цементитом (Ц). Сплави з вмістом вуглецю більш за 6,67% не використовуються через їхні незадовільні властивості.

Розглянемо основні перетворення сплавів Fe - Fe₃C за діаграмою стану (ДС) (рис. 4.1).

Рисунок 3.1 - Діаграма стану Fe – Fe₃C

АВСD – лінія ліквідус характеризує початок кристалізації.

AHJECF – лінія солідус характеризує кінець кристалізації.

Основні фази системи залізо – вуглець:

1. аустеніт (А) – твердий розчин впровадження вуглецю у γ-Fe, кристалічна гратка кубічна, гранецентрована. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті 2,14% при Т=1147ºС, мінімальна – 0,8 при Т=727ºС;

2. ферит (Ф) – твердий розчин впровадження вуглецю в α – Fe, має кубічну об’ємоцентровану кристалічну гратку;

3. цементит (Ц) – хімічна сполука Fe₃C з вмістом вуглецю 6,67%, має складну кристалічну гратку;

4. перліт (П) – евтектоїдна суміш фериту і цементиту, утворюється при розпаді аустеніту (з 0,8%С) при Т=727ºС.

Перетворення, що відбуваються в системі Fe - Fe₃C:

• 1499°C (HJB) – перитектична реакція, при якої із Ф концентрації вуглецю в точці Н (0,1%С) і рідкого розчину L концентрації вуглецю в точці В (0,5%С) утворюється А (0,16%С)

L+Ф→A:

• 1147°C (ЕСF) – евтектична реакція, при якої з рідини з концентрацією вуглецю 4,3% утворюється двофазна евтектична структура, яка називається ледебурит (Л)

L→А+Ц (Л):

• 727°C (PSK) – евтектоїдне перетворення, при якому з А з вмістом вуглецю 0,8% утворюється евтектоїдна суміш з Ф і Ц перліт (П)

А→Ф+Ц (П).

Залізовуглецеві сплави, яки містять вуглецю до 2,14%, називаються сталями, більше 2,14% - чавунами.

Мікроструктура технічного заліза і вуглецевих сталей для рівноважних умов характеризується нижньою лівою ділянкою діаграми стану Fe – Fe₃C (рис.4.1).

Сплави з вмістом вуглецю до 0,02% називаються технічним залізом, 0,02 – 0,8%С – доевтектоїдними сталями; 0,8 – 2,14% С- заевтектоїдними сталями. Сплав з вмістом вуглецю 0,8%С називається евтектоїдною сталлю.

Мікроструктура сплавів з вмістом вуглецю до 0,02% складається з фериту і третинного цементиту.

Мікроструктура доевтектоїдной сталі (до 0,8%С) складається з фериту і перліту. Мікроструктура евтектоїдной сталі (0,8%С) складається з одного перліту. Мікроструктура заевтектоїдної сталі складається з перліту і вторинного цементиту (рис.4.2).

а) доевтектоїдна – ферит і перліт; б) евтектоїдна – перліт; в) заевтектоїдна – перліт і цементит

Рисунок 3.2 – Структура вуглецевих сталей (х500):

Вуглецеві сталі класифікуються:

• за структурою у рівноважному стані (доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні);

• за призначенням (будівельні, конструкційні, інструментальні);

• за способом виробництва (сталі звичайної якості, якісні, високоякісні).

Вуглець в сталях перебуває в складі фериту і цементиту (Ц). Ферит (Ф) має невисоку твердість (~ HV 100) і добру пластичність. Друга складова сталей - перліт (П), евтектоїдна суміш Ф і Ц. Оскільки Ц має високу твердість (~ HV 1000) і є крихким, він суттєво впливає на властивості сталей. Велике значення мають розмір і форма цементитних частинок у П. При кристалізації і наступної термічної обробки можливо отримати дві основні форми цементиту у перліті – зернисту і пластинчату (рис. 6.1).

б

а

Рисунок 3.3 – Мікроструктура сталей з зернистим (а) і пластинчатим (б) перлітом

Цементит як тверде включення у м’якої основі фериту збільшує твердість і міцність сталі тим більш, чим більше його у сплаві.

При вмісті вуглецю у сталі 0,8% її структура є евтектоїдна суміш фериту і цементиту – перліт (100%). Сталі з вмістом вуглецю менше 0,8% називаються доевтектоїдними. Кількісне співвідношення Ф і П в доевтектоїдних сталях визначається вмістом вуглецю: зі збільшенням концентрації вуглецю кількість П зростає.

В заевтектоїдних сталях вуглецю знаходиться 0,8...2,14%. В цих сталях П знаходиться не в вигляді в’язкої феритної основі, а змішаній з крихким і твердим вторинним цементитом (Ц_ІІ). Кількість Ц зростає від 0% до 20%.

Така зміна у співвідношенні фаз Ф, П і Ц збільшує міцність (σ_в) і твердість сталі, зменшує пластичність (δ і ψ, %) та ударну в’язкість. Міцність зростає доти, поки частка вуглецю не досягне 0,8...0,9%, далі вона зменшується. Це пов’язано з появою вторинного цементиту навколо перлітних зерен. Позбавитися цементитної сітки можна шляхом неповного відпалу заевтектоїдної сталі (нагрів до температури А₁ + 30…50°C і повільне охолодження разом з піччю), утворюється структура зернистого перліту (рис. 6.2).

Рисунок 3.4 – Структура заевтектоїдної сталі після відпалу: зернистий

перліт (х500)