Теоретическая часть. 1.1 Микроструктура технического железа

1.1 Микроструктура технического железа

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей характеризуется нижней левой частью диаграммы состояния Fe-Fe₃C (рисунок 1).

Сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом (рисунок 2) растворимость углерода в a-железе переменная (см. линию РQ). С понижением температуры растворимость углерода в a-железе понижается. При температуре 727 °С в a-железе растворяется 0,02 % углерода, а при комнатной температуре 0,006 %. В связи с этим сплавы железа с содержанием углерода до 0,006 % имеют структуру только феррита, т.е. твердого раствора углерода в a-железе.

В сплавах с содержанием углерода от 0,006 до 0,02 % в связи с понижением растворимости углерода в a-железе при понижении температуры из феррита выделяется цементит, называемый третичным. При комнатной температуре структура таких сплавов состоит из феррита и цементита третичного, который располагается по границам зерен феррита (рисунок 2).

Максимальное количество цементита третичного в сплаве приблизительно равно 0,3 %. Однако даже столь малое количество цементита третичного сообщает малоуглеродистой стали низкие пластические свойства, т.е. приводит ее к охрупчиванию (из-за расположения вокруг зерен феррита хрупких оболочек). Для устранения этого явления проводится специальная термическая обработка, в результате которой цементит третичный выделяется в виде дисперсных частиц, равномерно распределенных по всему зерну.

1.2 Микроструктура стали

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % называются сталями. Сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями . от 0,8 до 2,14 % — заэвтектоидными.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

а

б

а — феррит . б — феррит + цементит третичный

Рисунок 2 – Микроструктура технического железа и ее схематическое изображение

Сплав с содержанием углерода 0,8 % называют эвтектоидной сталью. Микроструктура эвтектоидной стали представляет собой механическую смесь феррита (Fe_aС) и цементита (Fe₃С), которая получается в результате распада твердого раствора углерода в g — железе — аустенита (Fe_gС) с содержанием углерода 0,8 % при Т = 727 °С (см. точку “S” на диаграмме Fe- Fe₃С). Такая механическая смесь называется перлитом, т.к. при травлении шлифа эвтектоидной стали, поверхность имеет перламутровый отлив.

Перлитная структура имеет пластинчатый характер, при достаточном увеличении в микроскопе видна смесь равномерно распределенных, параллельно расположенных двух фаз: узких полосок цементита и широких феррита. На микроструктуре перлита общий светлый фон представляет собой феррит . темные участки — цементит. В зависимости от скорости охлаждения пластины цементита в перлите могут быть длиннее или короче.

Микроструктура доэвтектоидной стали (с 0,02 до 0,8 %) состоит из феррита и перлита. Феррит — это почти чистое железо, т.к. в феррите растворяется очень малое количество углерода. Перлит — это эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита.

В доэвтектоидной стали после травления феррит выделяется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (рисунок 3).

Количество феррита и перлита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается.

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую ферритом и перлитом. В связи с тем, что в феррите растворено очень незначительное количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите. Тогда содержание углерода в стали, %, можно определить по формуле

, (1)

где F_п — площадь, занимаемая перлитом, %.

Предположим, например, что половина площади (50 %) занята перлитом, половина ферритом. Содержание углерода в такой стали будет равно

Микроструктура заэвтектоидной стали (С = 0,8 — 2,14 %) имеет структуру, состоящую из перлита и цементита вторичного. Вторичный цементит выделяется из аустенита при охлаждении от температуры А_r3 (линия SЕ) до температуры А_r1 (727 °С) (см. диаграмму Fe-Fe₃С) вследствие понижения растворимости углерода в g-железе (Fe_g). При медленном охлаждении цементит вторичный выделяется в виде сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры А_r1 (727 °С) аустенит превращается в перлит.

В результате медленного охлаждения заэвтектоидная сталь имеет структуру перлита и сетки цементита, белая сетка — вторичный цементит, а внутри сетки зерна пластинчатого строения — перлит (рисунок 3). Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка.

а – доэвтектоидная сталь, феррит и перлит . б – эвтектоидная сталь, перлит . в – заэвтектоидная сталь, перлит и цементит вторичный

Рисунок 3 – Микроструктура стали и ее схематическое изображение

1.3 Классификация сталей

В углеродистой стали промышленного производства присутствуют различные примеси, которые по условиям появления в стали подразделяются на постоянные (всегда присутствующие в стали) и случайные. Постоянные элементы связаны с существующей технологией производства (марганец и кремний) и невозможностью полного удаления (сера, фосфор, водород, азот, кислород).

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении ею содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердостью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижаются пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость резанием ухудшаются, но литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FeO. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содержание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния — 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристаллическую решетку, снижая при этом пластичность и вязкость, но повышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубляется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. Поэтому содержание фосфора в стали офаничивается величиной 0,045 %.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по границам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ограничивается 0,05 %.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свойства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси, и легированными, содержащими дополнительно легирующие элементы, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 — 0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др.

По показателям качества стали классифицируются на обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим составом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны содержать не более 0,045 % Р и 0,05 % S, качественные — не более 0,035 % Р и 0,04 % S, высококачественные — не более 0,025 % Р и 0,025 % S и особовысококачественные — не более 0,025 % Р и 0,015 % S. Углеродистые конструкционные стали могут быть только обыкновенного качества и качественными.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и гарантируемых свойств делятся на три группы: А, Б, В.

Стали группы А имеют гарантируемые механические свойства. Они используются в состоянии поставки без горячей обработки или сварки. Эти стали маркируются буквами Ст и цифрами, обозначающими порядковый номер марки. Выпускается семь марок сталей группы А: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Чем выше номер марки, тем больше содержание углерода и, соответственно, выше прочность и ниже пластичность.

Стали группы Б имеют гарантируемый химический состав. Эти стали подвергаются горячей обработке. При этом их механические свойства не сохраняются, а химический состав важен для определения режима обработки. Маркируются они так же, как стали группы А, но перед буквами Ст ставится буква Б. Чем выше номер марки, тем больше содержание в стали углерода, марганца и кремния.

Стали группы В имеют гарантируемые механические свойства и химический состав. Эти стали используются для сварки, так как для выбора режима сварки надо знать химический состав, а механические свойства частей изделий, не подвергшихся тепловому воздействию, остаются без изменений. В марках сталей этой группы на первое место ставится буква В. При этом механические свойства стали соответствуют свойствам аналогичной марки из группы А, а химический состав — составу аналогичной марки из группы Б.

Качественные конструкционные углеродистые стали маркируются цифрами 08, 10, 15, 20, 25, 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества максимальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа.

1.4 Микроструктура чугунов

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % называются чугунами. Чугун отличается от стали по составу — более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, по малой способности к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке).

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

— белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида Fe₃C .

— серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита .

— высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита .

— ковкий чугун, в котором весь углерод или значительная его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига). Ковкий чугун получается в результате отжига отливок из белого чугуна.

Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.