Микроструктура и твердость углеродистой стали в отожженном состоянии

Микроструктура и твердость углеродистой стали в отожженном состоянии

Сталями называют железоуглеродистые сплавы, содержащие менее двух процентов углерода. Углерод является основным компонентом, влияющим на микроструктуру и свойства стали. После отжига, т. е. в равновесном состоянии, фазовый состав и микроструктура стали соответствуют диаграмме состояния «железо — углерод (цементит)».

1. Фазы в железоуглеродистых сплавах

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в г-железе. Максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 2,14%. Аустенит имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК) и устойчиво существует при температурах выше 727єС.

Феррит (Ф) — твердый раствор углерода в б-железе. Максимальная растворимость углерода в б-железе составляет всего 0,025%. Феррит имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК) и устойчиво существует при температурах ниже 911єС. Из-за малого содержания углерода свойства феррита близки свойствам железа. Твердость феррита — 50…100 НВ в зависимости от содержания примесей.

Цементит (карбид железа Fe₃С) представляет собой химическое соединение углерода с железом. Цементит содержит 6,67% углерода, имеет сложную октаэдричесую решетку; он хрупок и тверд. Его твердость достигает 800…1000 HV.

При температурах ниже 727єС (линия РSК) все железоуглеродистые сплавы имеют одинаковый состав — смесь феррита и цементита. Чем больше углерода, тем больше цементита в стали и выше ее твердость.

Микроструктура стали формируется в процессе охлаждения её на области аустенита при распаде последнего и зависит от содержания углерода.

2. Структурные составляющие в сталях

Феррит имеет однофазную структуру и является продуктом диффузионного распада аустенита при его охлаждении ниже линии GS. Например, в сплаве I аустенит превращается в феррит в интервале температур Т₁ — Т₂ (точки 1 — 2). Феррит, как однофазная структура, при травлении 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте имеет светлую окраску различной яркости. Размер и форма ферритных зерен зависит от характера обработки стали. После отжига в техническом железе и в низкоуглеродистой стали зерна феррита имеют равноосную (полиэдрическую) форму. В среднеуглеродистых сталях феррит образует отдельные островки или сетку вокруг перлитных зерен.

Микроструктура стали (х 240) и схема ее зарисовки: а — техническое железо, феррит; б — сталь 30, феррит и перлит; в-сталь 45, феррит и перлит; г — сталь 65, перлит и сетка феррита; д — заэвтектоидная сталь У12, перлит и сетка цементита Цементит вторичный (Ц_II) — однофазная структура — выделяется из аустенита при охлаждении стали ниже линии ЕS вследствие уменьшения растворимости углерода в г-железе. Например, в сплаве II из аустенита в интервале температур Т₃ — Т₄ (точки 2 — 4) выделяется цементит, а аустенит при этом обедняется углеродом. В медленно охлажденной стали цементит вторичный выделяется по границам аустенитных зерен, образуя сетку. При травлении 4-процентным раствором азотной кислоты цементит сохраняет ярко-белую окраску (он твердый, хорошо полируется и хорошо отражает световые лучи).

Цементит третичный (Ц_III) выделяется из феррита по линии РQ вследствие уменьшения растворимости углерода в б-железе от 0,025% углерода в точке Р до 0,006% в точке Q. Как и цементит вторичный, он сохраняет ярко-белую окраску.

Перлит — двухфазная структура — продукт эвтектоидного распада аустенита при температуре 727єС.

А_s > Ф + Ц_II, т. е. А_s > перлит (Ф + Ц_II).

Перлит представляет собой смесь феррита и цементита, одновременно образующихся при распаде аустенита эвтектоидного состава (0,83% углерода). Обычно перлит имеет пластинчатое строение — состоит из чередующихся пластин феррита и цементита, образующих зерна (колонии) перлита. Толщина пластин находится за пределами разрешающей способности линз оптического микроскопа, поэтому зерна перлита после травления 4-процентным раствором азотной кислоты окрашиваются в темный цвет (от черного до светло-коричневого). При больших увеличениях (более 600 раз) и в оптический микроскоп можно увидеть, что перлит состоит из чередующихся пластин.

Рисунок 3 — Микроструктура стали (х 800) и схема строения перлита: а — пластинчатый перлит, б — зернистый перлит В низкоуглеродистых сталях, а также после специальной термической обработки в среднеи высокоуглеродистых сталях перлит может иметь зернистое строение. В этом случае дисперсные частицы цементита округлой формы располагаются в ферритной основе. Твердость перлита в зависимости от толщины пластин равна 180−220 НВ.

3. Микроструктура углеродистых сталей после отжига

Микроструктура стали выявляется путем травления полированных образцов 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. По микроструктуре все стали можно разделить на следующие группы.

Доэвтектоидные — с содержанием углерода от 0,025 до 0,8% - имеют ферритно-перлитную структуру. Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Соотношение между ними можно определить по правилу отрезков. Например, в сплаве I (0,5% углерода):

или

%; %,

сталь сплав микроструктура перлит где g_ф — количество феррита;

g_п — количество перлита.

Чем больше перлита в структуре стали, тем выше прочность (твердость, предел прочности) и ниже пластичность и вязкость.

Эвтектоидная сталь содержит 0,80% углерода, структура — перлит.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,80 до 2,0%, структура — перлит и цементит вторичный (Ц_II).

В отожженной стали Ц_II располагается по границам перлитных (бывших астенитных) зерен в виде сетки. Так как цементит хрупок и тверд, расположение его в виде сетки снижает пластичность, вязкость и прочность стали (кроме твердости). Количество цементита вторичного (g_ЦII) увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Например, для стали У10 (1% углерода)

%,

а для стали У13 (1,3% углерода)

%.

Сплавы, содержащие менее 0,025% углерода, называют техническим железом. Структура таких сплавов — феррит (С<0,006%) или феррит с включениями цементита третичного Ц_III. Цементит третичный выделяется по границам ферритных зерен в виде отдельных зерен или сетки.

Литература

1. Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов/ Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. Н. Синдеев. — М.: Мир, 200 — 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1993. — 448 с.

3. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов/ Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И. И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

5. Маркова, Н. Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н. Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

6. Ильина, Л. В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л. В. Ильина, Л. Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.