Микроструктура и свойства углеродистых незакаленных сталей
Термин «микроструктура» относится к распределению зерен в стали. Описание микроструктуры включает такие понятия как размер и форма зерна, а также идентификацию микроскопических составляющих, которые присутствуют в стали.
Что такое микроструктура стали?
Обычно под микроструктурой понимают микроструктуру при комнатной температуре. При повышенных температурах различные фазы и их смеси также составляют микроструктуру стали — высокотемпературную. Эту микроструктуру нельзя увидеть в световой микроскоп, а можно только смоделировать, например, на компьютере.
Микроструктуру определяют главным образом с помощью оптического микроскопа путем осмотра полированной и травленой поверхности стали. Каждый микроскопический компонент стали имеет под микроскопом характерный вид, что позволяет оценивать и анализировать микроструктуру. К этим микроскопическим компонентам относятся:
— фазы – феррит, аустенит, цементит и неотпущенный мартенсит;
— смеси фаз – перлит, бейнит и отпущенный мартенсит.
Механические свойства стали в значительной степени определяются именно ее микроструктурой.
Микроструктура стали: феррит, перлит, цементит
Микроструктура при комнатной температуре незакаленных сталей — которые медленно охлаждались от температуры аустенитизации – однозначно зависит от содержания в них углерода.
Эвтектоидные стали (0,77 % углерода) являются обычно полностью перлитными.
Микроструктура доэвтектоидных сталей — углерода менее 0,77 % — обычно представляют собой массивы перлитных зерен с ферритом по границам зерен.
Заэвтектоидные стали — содержание углерода более 0,77 % — содержат перлитные зерна с цементитом по границам зерен.
В доэвтектоидных сталях с содержанием углерода менее 0,2 % доминирующим компонентом микроструктуры становятся зерна феррита с перлитом, который различным образом распределяется между ферритом.
Стальной прокат часто проявляет полосчатую микроструктру, которая представляет собой перемежающиеся полосы ферритных и перлитных зерен, вытянутых по направлению механической деформации при прокатке, ковке или других видах обработки металлов давлением.
Сфероидизация цементита
Цементит в незакаленных сталях обычно находится в тонких пластинах, которые являются составляющей частью перлита. Однако есть возможность изменить этот перлитный цементит в малые, изолированные сферы, которые находятся в матрице из ферритных зерен. Для этого производят специальную термическую обработку – сфероидизацию. Такую структуру называют сфероидизированной сталью. Сфероидизированное состояние стали обычно является состоянием поставки высокоуглеродистых сталей. В таком состоянии сталь легче обрабатывать резанием, чем тогда, когда цементит находится в перлите.
Когда аустенит охлаждают быстро, появляются две дополнительных компонента микроструктуры – бейнит и мартенсит.
Мартенсит – метастабильная фаза
Мартенсит является неравновесной – метастабильной – фазой. Поэтому он отсутствует на фазовой диаграмме железо-углерод. Можно сказать, что мартенсит хотел бы иметь объемно-центрированную кубическую структуру, как феррит, но углерод в аустените искажает его кристаллическую структуру до кубической тетрагональной. При этом, чем больше углерода в аустените, тем больше это искажение и тем прочнее – тверже – мартенсит.
Мартенсит имеет две разновидности под световым микроскопом: реечный и пластинчатый. Рейки образуются при содержании углерода от 0 до 0,6 %, а пластины – от 1 % и более. При содержании в стали углерода от 0,6 до 1 % преобладает смешанная реечно-пластинчатая мартенситная структура.
Отпуск мартенсита
Мартенсит, который образуется в закалочном баке, называют неотпущенным или свежим мартенситом. Если содержание углерода в стали больше примерно 0,3 %, то мартенсит будет слишком хрупким и его применение сильно ограничено. Поэтому большинство «мартенситов» подвергают отпуску путем нагрева до относительно низких температур.
Отпуск мартенсита приводит к образованию в нем очень малых карбидов, которые снижают прочность, но повышают пластичность. После отпуска мартенсит становится темным под оптическим микроскопом.
Температуры начала и конца мартенситного превращения
Для того, чтобы образовался мартенсит, аустенит должен быть охлажден – закален – до температуры ниже температуры Мн – температуры начала мартенситного превращения. С понижением температуре закалки ниже точки Мн количество образующегося мартенсита возрастает, пока при температуре Мк весь аустенит – 100 % — не превратится в мартенсит.
При температуре закалки между точками Мн и Мк cтруктура стали представляет собой смесь мартенсита и остаточного аустенита.
Обе температуры мартенситного превращения – начала Мн и конца Мк – снижаются с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому образцы из высокоуглеродистых сталей, закаленные при комнатной температуре, могут содержать значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит в обыкновенных углеродистых сталях, закаленных при комнатной температуре, появляется уже при содержании в них углерода примерно 0,4 %.
Бейнит
При скоростях закалки немного меньше, чем это требуется для образования мартенсита, образуется структура, которая называется бейнит. Бейнит похож на перлит в том, что он состоит из феррита и карбидов. Карбидная составляющая бейнита имеет вид упорядоченных нитей или цепочек частиц в отличии от перлита, где карбиды присутствую в виде упорядоченных пластин.
Бейнит встречается в двух формах – верхний бейнит и нижний бейнит – в зависимости от температуры, при которой он образовался. В нижнем бейните карбиды более мелкие и дисперсные. Прочность бейнита приближается к прочности мартенсита, а вязкость часто выше, чем у отпущенного мартенсита при той же самой твердости.
Скорость образования мартенсита
Уникальным свойством мартенсита является его скорость его образования. Она намного выше, чем скорость образования любого другого продукта распада аустенита – феррита, цементита, перлита или бейнита. Мартенсит растет со скоростью примерно в половину скорости звука в стали. Поэтому, когда температура аустенита опускается ниже точки Мн, мартенсит образуется мгновенно, в считанные миллисекунды.
Когда сталь охлаждают из аустенитной области, то фазовая диаграмма рассказывает нам какие продукты распада аустенита будут образовываться первыми. Это – феррит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных сталях. Эти фазы образуются сначала по границам аустенитных зерен. Для образования 100%-ного мартенсита сталь нужно охлаждать так быстро, чтобы эти продукты распада аустенита не успели «выпасть» по границам зерен. Возможно, что одна из этих фаз успеет образоваться на границах аустенитных зерен до того, как аустенит достигнет температуры ниже точки Мн. В этом случае эта фаза так и останется там, на границах зерен, полностью окруженная мартенситом, который образуется очень быстро.
Изотермическое превращение аустенита
Если стали охлаждают при постоянной температуре в соляных ваннах так быстро, что аустенит не успевает распадаться, то аустенит будет превращаться изотермически , при постоянной температуре. Такое изотермическое превращение сталей очень хорошо изучено. Для всех сталей установлены четкие зависимости типов продуктов распада аустенита от температуры изотермического превращения и содержания углерода в стали.
Федеральное агенство по образованию
Гринева С.И. Изучение микроструктуры медленно-охлажденной углеродистой стали [Текст]: методические указания к лабораторной работе/В.Н.Коробко, М.М.Сычев - СПб., СПбГТИ(ТУ), 2008. – 16с.
В методических указаниях описана лабораторная работа, посвященная изучению микроструктуры медленно-охлажденной углеродистой стали. Даны определения основных фаз и структурной составляющей углеродистых сталей. Описаны превращения в критических точках, а также краткая характеристика свойств, применения углеродистых сталей и их маркировка.
Методические указания предназначены для студентов 2 курса инженерно-кибернетического факультета и соответствуют рабочей программе дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Ил.3, библиогр.5 назв.
В.Г. Корсаков, д.х.н., профессор кафедры ХТМИЭТ
СПбГТИ(ТУ), академик РАЕН.
Утверждено на заседании учебно-методической комиссии общеинженерного отделения 7.04.2008.
Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)
Условные обозначения
σв – предел прочности, МПа
σ0,2 – условный предел текучести, МПа
δ – относительное удлинение, %
ψ – относительное сужение, %
КСU – ударная вязкость, Дж/см 2
Введение
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются углеродистыми сталями. Превращения в сталях происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Превращения в твердом состоянии вызваны переходом железа из одной аллотропической модификации в другую (α↔γ) и переменной растворимостью углерода в этих модификациях с изменением температуры. Железоуглеродистый сплав содержащий до 0,02% углерода представляет собой техническое железо. Для изучения микроструктуры, критических точек, фаз углеродистых сталей в равновесных условиях используется диаграмма состояния железо – углерод.
1 Микроструктура углеродистых сталей.
По структуре в зависимости от концентрации углерода углеродистые стали подразделяются на три группы: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные, как показано на рисунке 1. Доэвтектоидные стали – это сплавы содержащие углерода до 0.8% и их структура состоит из феррита и перлита. Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода и ее структура состоит из перлита. Заэвтектоидные стали – это сплавы содержащие от 0,8 до 2,14% углерода и имеющие в структуре цементит и перлит.
Рисунок 1 Нижняя левая часть диаграммы состояния железо-углерод
В твердом состоянии в сталях присутствуют следующие фазы:
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fе. Он существует только при температурах выше 727 0 С и имеет гранецентрированную кубическую решетку. Предельная растворимость углерода в γ-Fе составляет 2,14% при температуре 1147 0 С и 0,8% - при 727 0 С. Аустенит обладает высокой пластичностью, низким пределом прочности и текучести.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-Fе. Он имеет объемно центрированную кубическую решетку. Предельная растворимость углерода в α-Fе составляет 0,2% при температуре 727 0 С, а при комнатной температуре – 0,006%. Феррит обладает высокой пластичностью, низким пределом прочности и низкой твердостью.
Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа (Fе3С). Имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов, что придает ему высокую твердость, а предел прочности и пластичность – низкие.
В структуре стали наблюдается также перлит. Перлит – это не фаза, а структурная составляющая, которая представляет собой эвтектоидную смесь феррита и цементита. Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита, однако после термической обработки он может иметь зернистое строение.
Для того чтобы понять фазовые превращения и разобраться в достаточно сложной картине структурообразования Fe – Fe3C, необходимо четко представлять следующее:
1 Физический смысл превращений, соответствующих линиям
на диаграмме. Превращения, протекающие в твердом состоянии, в зависимости от содержания углерода и температуры, определяются критическими точками. Критической точкой называется линия, в которой при нагреве или охлаждении происходят фазовые изменения. Обозначают ее буквой А с буквенно – цифровым индексом. Буква показывает, какой процесс рассматривается (при нагревании – r, при охлаждении – с), а цифра – место расположения данной критической точки на диаграмме.
PSK – линия перлитного превращения. При охлаждении (Ar1) – конец распада аустенита с образованием эвтектоида, т.е. феррито-цементитной структуры (перлита). При нагревании (Ac1) – начало образования аустенита.
МО – температура точки Кюри. При нагревании (Ас2) – ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный, а при охлаждении (Аr2) – наоборот.
GOS – линия на которой при нагревании (Ас3) заканчивается растворение феррита в аустените, а при охлаждении (Аr3) из аустенита выделяются зерна феррита.
SE – линия на которой при нагревании (Acm) заканчивается растворение вторичного цементита в аустените, а при охлаждении (Arm) из аустенита выделяется вторичный цементит.
2 Необходимо ясно понимать различие между фазой и структурой сплава. Структура стали в равновесном состоянии меняется в зависимости от содержания углерода. По структуре в зависимости от концентрации углерода стали подразделятся на доэвтектоидные (до 0,8%С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (от 0,8%С до 2,14%С). Сплавы, содержащие до 0,02%С (точка Р на диаграмме), называют техническим железом. Если углерода меньше 0,006%, то
a – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь (0,35%С);
в – эвтектоидная сталь (0,8%С); г – заэвтектоидная сталь (1,2%С)
Рисунок 2 Фотографии микроструктур при 600 х увеличении
сплав при комнатной температуре имеет однофазную ферритную структуру. При содержании углерода в сплаве более 0,006%, как в сплаве I, показанном на рисунке 1, при охлаждении в интервале температур точек 1-2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит (наблюдается полиморфное превращение железа), а начиная от точки 3 из феррита, вследствие уменьшения растворимости углерода с понижением температуры, начинает выделяться третичный цементит. Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, который располагается по границам ферритных зерен (рис.2а). Третичный цементит снижает пластичность и магнитную проницаемость железа.
При охлаждении сплава II в точке 4 по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается при дальнейшем охлаждении, а содержание углерода в нем возрастает по линии GOS. Количество же феррита наоборот увеличивается и содержание углерода меняется в нем по линии GP. При достижении 727 0 С (Аr1) содержание углерода в феррите составляет 0,02% (точка Р), а в аустените уже составляет 0,8% (точка S), что соответствует эвтектоидной концентрации, и аустенит распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит:
Эвтектоидное (перлитное) превращение в сталях является основным и происходит при постоянной температуре, которая составляет 727 0 С.
Конечная структура доэвтектоидной стали: феррит и перлит (рис.2б), причем чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше в структуре феррита и больше перлита.
При охлаждении сплава III в точке S весь аустенит превращается в перлит,т.е. распадается на феррито-цементитную смесь. Структура эвтектоидной стали представляет собой пластинчатый перлит (рис. 2в).
При охлаждении сплава IV в точке 6 аустенит окажется насыщенным углеродом и из него начинает выделяться вторичный цементит. С понижением температуры концентрация углерода в аустените уменьшается согласно линии SE. В точке 7 при температуре 727 0 С аустенит достигает эвтектоидной концентрации (0,8%С) и превращается в перлит. Конечная структура заэвтектоидной стали (рис.2г) представляет собой перлит и вторичный цементит, который выделяется в виде сетки по границам зерен перлита.
3 Важнейшим условием рассмотрения процессов фазовых превращений в сплавах при нагреве и охлаждении является умение пользоваться правилами для определения состава и количества фаз. По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание углерода в ней. Если в микроструктуре вся площадь занята перлитом, это значит что в стали 0,8%С и сталь эвтектоидная. Наблюдая в микроскоп структуру стали, определяют приблизительно площадь, занимаемую перлитом Fп в процентах, и тогда содержание углерода можно определить по формуле:
С = Fп ∙ 0,8 / 100 , % (1)
где Fп – площадь, занимаемая перлитом.
Этот расчет проводится на основании правила отрезков. Для заэвтектоидных сталей этим правилом пользуются очень редко ввиду трудности определения площади, занимаемой вторичным цементитом, и возможности допущения значительной погрешности.
С увеличением содержания углерода в сталях увеличивается твердость НВ, предел прочности σв и текучести σт, но уменьшается ударная вязкость αн и пластичность δ,ψ, как показано на рисунке 3.
По применению стали различаются на конструкционные и инструментальные.
Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.
Рисунок 3 Влияние углерода на механические свойства стали
Стали обыкновенного качества. Стали обыкновенного качества наиболее дешевые и применяют их для менее ответственного назначения. Эти стали маркируются буквами «Ст», что обозначает – сталь, а затем ставится цифра, которая соответствует порядковому номеру по ГОСТу (ГОСТ 380-94), например Ст0, Ст1,…Ст6.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенного качества делятся на три группы.
В группу А входят стали, поставляемые с гарантированными механическими свойствами без уточнения химического состава. Эти стали используют без последующей горячей обработки давлением или термической обработки.
С повышением порядкового номера марки стали возрастает предел прочности (σв) и текучести (σ0,2) и снижается пластичность (δ,ψ).
Группа Б поставляется с гарантированным химическим составом. В маркировке этих сталей буква Б ставится перед буквами Ст, например БСт1, БСт2 и т.д. Эти стали можно подвергать горячей деформации или упрочнять термической обработкой (нормализация, закалка, отпуск).
Группа В – сталь повышенного качества, поставляемая с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Их маркировка отличается наличием буквы В в начале марки, например ВСт1, ВСт2 и т.д. Эти стали как и стали группы Б подвергаются термической обработке для повышения прочности.
В зависимости от условий и степени раскисления стали подразделяются на:
1) спокойные «сп» (Ст1сп, Ст2сп,…Ст6сп); 2) полуспокойные «пс» (Ст1пс, Ст2пс,…Ст6пс); 3) кипящие «кп» (Ст1кп,…Ст4кп). Эти стали различаются по содержанию кремния и кислорода. В составе спокойных сталей содержится 0,15-0,3% Si и ~0,002% О2; в полуспокойных - 0,05-0,15% Si и ~0,01% О2; в кипящих – не более 0,05% Si и ~ 0,02% О2.
Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т.д.).
Качественные углеродистые стали. Эти стали отличаются более низким содержанием вредных примесей (S ≤ 0,04%, Р ≤ 0,035-0,04%), а также меньшим количеством неметаллических включений, регламентированной макро- и микроструктурой. Качественные стали поставляются в нормализованном состоянии.
Качественные углеродистые стали маркируются цифрами 08,10, 15,…85, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 08 имеет ~0,08%С.
В зависимости от процентного содержания углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.
Низкоуглеродистые качественные стали содержат углерода до 0,25%. Они обладают невысокой прочностью (σв= 320÷450 МПа, σ0,2=196÷275 МПа) и высокой пластичностью (δ=33÷23%). Термическая обработка для повышения прочности не используется. Эти стали применяют для изготовления малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций и для деталей машин упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродистые стали имеют в своем составе 0,3-0,5%С. Их применяют после нормализации, улучшения или поверхностной закалки. По сравнению с низкоуглеродистыми эти стали имеют более высокую прочность (σв=490÷630 МПа, σ0,2=295÷375 МПа), но более низкую пластичность (δ=21÷14%). В отожженном состоянии они хорошо обрабатываются резанием. Так как прокаливаемость у них небольшая, то их применяют для изготовления деталей небольшого сечения или для крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. После улучшения стали марок 40, 45, 50 имеют следующие механические свойства: σв=600÷700 МПа, σ0,2=400÷600 МПа, ψ=50÷40%, KCU=0,4÷0,5 МДж/м 2 .
Высокоуглеродистые стали (0,52-0,65%С) обладают повышенной прочностью износостойкостью и упругими свойствами (σв= 650÷680 МПа, σ0,2=375÷400 МПа). Эти стали подвергаются закалке и отпуску, нормализации, поверхностной закалке. Из них изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.
Углеродистые стали, имеющие в своем составе более 0,65% углерода относятся к инструментальным (У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13).
Маркировка этих сталей начинается с буквы «У» это означает, что сталь высокоуглеродистая, а далее ставятся цифры показывающие среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если сталь высококачественная, т.е. с ограниченным содержанием вредных примесей (S и Р), то после цифры ставится буква А, например У10А. Углеродистые инструментальные стали имеют небольшую прокаливаемость из-за малой устойчивости переохлажденного аустенита, поэтому их применяют для изготовления инструмента небольшого сечения.
В отожженном состоянии углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость (НВ 170-180) и хорошо обрабатываются резанием. С целью повышения твердости и прочности их подвергают закалке и низкотемпературному отпуску. Температура нагрева при закалке должна быть выше критической точке Ас1 на 30÷50 0 С, а в качестве охлаждающей среды используют воду или водные растворы солей. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку. Отпуск проводят при 150-170 0 С, что позволяет сохранить высокую твердость (62-63 HRC), полученную при закалке.
Стали марок У7-У9 используют для изготовления инструмента при работе с ударными нагрузками, например зубила, топоры и т.д. Из сталей марок У10-У11 изготовляют режущий инструмент, не испытывающий при работе ударов и обладающий высокой твердостью, например напильники, шаберы, хирургический инструмент, сверла для резания материалов с малой скоростью, так как при больших скоростях повышается температура в зоне резания, что приводит к снижению твердости стали.
Микроструктура стали
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУР УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Цель работы: изучение микроструктур углеродистых сталей в равновесном состоянии в зависимости от состава сплава, определение состава и марки стали по структуре.
Студенту выдается комплект микрошлифов углеродистых сталей с различным содержанием углерода. Он исследует под микроскопом шлифы, определяет по структуре тип стали (доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная) и процентное содержание углерода, устанавливает марку стали, схематично зарисовывает микроструктуры сталей с указанием структурных составляющих.
Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 0,006 % углерода, являются однофазными и имеют структуру чистого феррита. Примером таких сплавов может служить электролитическое железо. Сплавы, содержащие от 0,006 до 0,02 % углерода – двухфазные, их структура состоит из феррита и третичного цементита. Они носят название технического железа (рис. 6, а).
Железоуглеродистые сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14 % углерода называются углеродистыми сталями. По структуре в равновесном состоянии они делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % до 0,8 % углерода, их структура состоит из феррита и перлита (рис. 6, б). Количество перлита в стали изменяется пропорционально содержанию углерода.
Рис. 6. Схемы зарисовок микроструктур технического железа и сталей
По структуре доэвтектоидных сталей с достаточной точностью можно определить содержание углерода в стали. Например, в доэвтектоидной стали содержится 20 % перлита и, следовательно, 80 % феррита (определяют на глаз под микроскопом). При расчете принимают во внимание, что содержание углерода в перлите составляет 0,8 %, а в феррите (совместно с третичным цементитом) – 0,02 % углерода: 100 % перлита содержат 0,8 % углерода, 20 % перлита содержат Х1 % углерода, 0,16 100 20 0,8 =X1 × = % С; 100 % феррита содержат 0,02 % углерода, 80 % феррита содержат Х2 % углерода, 0,016 100 80 0,02 =X2 × = % С. Всего углерода в стали будет: X = Х1 + Х2 = 0,16 + 0,016 = 0,176 %. Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура этой стали состоит только из перлита (рис. 6, в).
Заэвтектоидные стали содержат более 0,8 до 2,14 % С. Структура этих сталей состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 6, г). При медленном охлаждении вторичный цементит кристаллизуется по границам зерен перлита, образуя твердую и хрупкую оболочку, имеющую под микроскопом видсетки.
Цементит, входящий в состав перлита, обычно выделяется в виде пластинок. Специальной термической обработкой получают так называемый зернистый перлит, в котором цементит имеет форму мелких зерен округлой формы. Структура зернистого перлита является исходной для механической и термической обработки инструментальных сталей. Содержание углерода в заэвтектоидной стали рассчитывают следующим образом. Пусть структура такой стали содержит 95 % перлита 5 % вторичного цементита, тогда содержание углерода в стали вычисляют так:
100 % перлита содержат 0,8 % C,
95 % перлита содержат Х1 % С,
100 % цементита содержат 6,67 % С,
5 % цементита содержат Х2 % С,
Содержание углерода в стали находим так:
X = Х1 + Х2 = 0,76 + 0,33 = 1,09 %.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (ГОСТ 380-94). Обозначение марок стали буквенно-цифровое.
Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 – номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. По степени раскисления различают кипящие, спокойные и полуспокойные стали. Дляобозначения степени раскисления после номера марки стали ставят индексы: кп – кипящая, пс –полуспокойная, сп – спокойная, например: Ст3кп, Ст4сп. Индекс сп может быть опущен. Вобозначение сталей с повышенным содержанием марганца после цифры добавляется также буква Г.
Например, Ст3Гсп, Ст5Гпс и др.В обозначении марки углеродистой конструкционной качественной стали 05, 08, 10, 15, 20, 25, ……, 75, 80, 85 цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). При этом для сталей с содержанием углерода < 0,2 %, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной).
Для спокойных сталей буквы в конце их наименования не добавляются, например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д. Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К и др. Обозначение марок углеродистых инструментальных сталей буквенно-цифровое: У7, У8, У9,У10, У11, У12, У13, У13А. Буква У означает углеродистую инструментальную сталь, а цифра –среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (ГОСТ 1435-99). В конце маркировкивысококачественных сталей, содержащих пониженное количество вредных примесей, ставится буква А. В обозначении марок автоматных сталей (ГОСТ 1414-75) – А12, А20, А30, А40Г, буква А является признаком автоматной стали, цифры соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента, буква Г указывает на повышенное содержание марганца.
Контрольные вопросы
1. Какие железо-углеродистые сплавы называются сталью?
2. Сколько углерода содержится в доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталях?
3. Каковы структуры этих сталей?
4. Какова зависимость механических свойств сталей от содержания углерода?
Микроскопическое исследование структуры углеродистых сталей
Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей.
ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ
Металлографический микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии с различной массовой долей углерода.
Компоненты и фазы в углеродистых сталях в равновесном состоянии.
К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.
Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.
Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910 °С, железо существует в α -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется α -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392 °С существует γ -железо с гранецентрированной кубической решеткой.
Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).
Рис. 3.9. Фрагмент диаграммы состояния «железо-цементит»:а) фазовая; б) структурная.
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.
Согласно фазовой диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует 15 процентов цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.
Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,б).
ВЛИЯНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ
По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 3.10, б) – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 3.10,б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3.10,а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.
Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.
Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 3.10, в).
Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.
Рис. 3.10. Микроструктура углеродистых сталей: а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной(слева – схематическое изображение).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА В СТАЛИ И МАРКИ СТАЛИ ПО ЕЕ СТРУКТУРЕ
Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.
Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.
В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:
где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.
Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.6), можно определить марку этой стали.
Влияние примесей на свойства сталей
В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мn и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.
Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.
МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:
1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.3). Если после марки стоят буквы «кп» - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если «сп» – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если «пс» – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавсредств всех типов.
2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).
К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %. Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.
Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы п т.и.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.
Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).
Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.
3. Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).
Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.4). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква «А», это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.
1. Название работы.
3. Фазовая и структурная диаграммы Fe–Fe3С (рис. 3.9).
4. Расчет массовой доли углерода доэвтектоидной стали.
5. Схемы микроструктур углеродистых сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, с указанием марки стали, ее химического состава и механических свойств, назначения стали.
Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | ||
| C | Mn | Si | |
| Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст3пс Ст4сп Ст5сп Ст6пс | < 0,23 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,09 – 0,15 0,14 – 0,22 0,18 – 0,27 0,28 – 0,37 0,38 – 0,49 | – 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,30 – 0,65 0,40 – 0,70 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80 | – < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 0,15 – 0,30 0,05 – 0,15 |
Химический состав углеродистых инструментальныхкачественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.
| Маркистали | Массовая доля элементов, % | ||||
| C | Si | Mn | S | P | |
| Не более | |||||
| У7; У7А | 0,65 – 0,74 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У8; У8А | 0,75 – 0,84 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У9; У9А | 0,85 – 0,94 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У10;У10А | 0,95 – 1,04 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У11;У11А | 1,05 – 1,14 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У12;У12А | 1,15 – 1,24 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
| У13;У13А | 1,25 – 1,35 | 0,17 – 0,33 | 0,17 – 0,33 | 0,028; 0.018 | 0,030; 0,025 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Что такое сталь?
Компоненты углеродистых сталей.
Дать определение фаз углеродистых сталей (феррита, цементита, аустенита).
Охарактеризовать механические свойства феррита и цементита.
Влияние массовой доли углерода на количественное соотношение фаз и механические свойства стали.
Что такое перлит?
Структурные составляющие углеродистых сталей и особенности их механических свойств.
Читайте также: