Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отчет по лабораторной работе

«Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей»

Цель работы

Изучить превращения в сплавах системы железо-цементит и сталей различного состава в равновесном состоянии. Определить содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.

Приборы, материалы и инструменты:

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов сталей.

1. Краткие сведения

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14%, называются сталями, а более 2,14% - чугунами. Структура стали в равновесном состоянии, зависит от содержания вней углерода. После полного отжига в углеродистой стали присутствуют следующие фазы и структурные составляющие: феррит, цементит, перлит. Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в б-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита при его охлаждении ниже температур линии GPSK. Максимальное содержание углерода в феррите при

комнатной температуре достигает 0,006%.Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение д = 50%, твердость зависит от концентрации углерода и других растворенных примесей и изменяется в пределах НВ 450-80. Феррит обладает ферромагнитными свойствами, в парамагнитное состояние переходит при температуре 768°С.

Цементит (Ц) - химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fe3C. Кристаллическая решетка цементита очень сложная ромбическая. Цементит обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводностью, малыми магнитными свойствами до температуры 210°С. Цементит - самая твердая составляющая, НВ = 8 000. Его пластичность практически ровна нулю.

Перлит (П) - эвтектоидная смесь из кристаллов цементита и феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8%.

В зависимости от формы цементита различают:

а) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите;

б) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму

пластин; последние образуют смесь чередующихся пластин цементита

и феррита. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастают. Обыкновенный пластинчатый перлит имеет предел прочности ув = 820 МПа и относительное удлинение д = 15%, а крупнопластинчатый - ув = 550 МПа и д = 5%. Зернистый перлит имеет ув =630 МПа и д = 20%.Твердость пластинчатого перлита НВ 2000-2500, а зернистого - НВ 1600-2200. Техническое железо содержит не более 0,02% углерода и является как двухфазным, так и однофазным сплавом.

Рис. 1 - Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод

Технически чистое железо называют армко-железом. Его получают в больших количествах промышленным способом с суммарным содержанием

примесей около 0,15%. Сплавы с содержанием углерода до 0,006% состоят из феррита и в интервале концентрации 0,006-0,02% - из феррита и цементита третичного, который выделяется по границам ферритных зерен вследствие изменения растворимости углерода в феррите при изменении температуры. Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% углерода. Стали со - стоят из феррита (Ф) (светлые зерна) и перлита (П) (темные зерна). Количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода. По соотношению площадей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с определенной степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно определить содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь fп, занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения, и умножить на содержание углерода в перлите (0,8%).Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода, в ее структуру входит только перлит. Заэвтектоидные стали содержат углерода более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита. Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации углерода от 3,4% (при% С = 1%) до 20,4 (при% С = 2%) от всей массы сплава. Влияние углерода на свойства стали в основном определяются свойствами цементита и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. При увеличении углерода до 1,2% возрастают прочность ув,

твердость HB, предел текучести ут, при этом снижаются вязкость KCU и характеристики пластичности - относительное удлинение (д, %) и относительное сужение (ш, %). Технологические свойства, такие как деформируемость, свариваемость и др., зависят также от содержания углерода. Хорошей свариваемостью и пластичностью отличаются низкоуглеродистые стали. Хорошими режущими свойствами обладают высокоуглеродистые стали.

2. Ход работы

1. Феррит:

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в б-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита при его охлаждении ниже температур линии GPSK.

Рис. 2 - Структура феррита

Сс = fп * 0,8,

где Сс - содержание углерода;

fп - площадь, занятая перлитом.

fп = 25% = 0,25; Сс = 0,25*0,8 = 0,2%, значит марка стали - Ст3кп;

2. Перлит - Феррит:

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% углерода. Стали состоят из феррита (Ф) (светлые зёрна) и перлита (П) (тёмные зёрна). Количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода.

Сс = fп * 0,8,

где Сс - содержание углерода;

fп - площадь, занятая перлитом.

fп = 50% = 0,5; Сс = 0,5 *0,8%= 0,4%, значит марка стали - Ст6пс.

3. Перлит:

Перлит (П) - эвтектоидная смесь из кристаллов цементита и феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего. Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода, в её структуру входит только перлит.

Сс = fп * 0,8,

где Сс - содержание углерода;

fп - площадь, занятая перлитом.

fп = 100%=1; Сс = 1 *0,8% = 0,8%, значит марка стали - У8.

4. Перлит - Цементит:

Заэвтектоидные стали - стали, содержащие углерод более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита.

Сс = fп ЃE0,8% + fц ЃE6,67%,

где fп - площадь, занятая перлитом;

fц - площадь, занятая вторичным цементитом.

fп= 94% = 0,94; fц = 6% = 0,06; Сс = 0,94ЃE0,8% + 0,06ЃE6,67% = 1,15%, значит марка стали - У12А.

3. Контрольные вопросы и задания

углеродистый сталь цементит

1. Классификация углеродистых сталей по назначению и качеству

По назначению: Конструкционные стали, строительные стали, стали для холодной штамповки, цементируемые стали, улучшаемые стали, высокопрочные стали, пружинные стали, подшипниковые стали, автоматные стали, износостойкие стали, нержавеющие стали, коррозионностойкие стали и сплавы, инструментальные стали, стали для режущих инструментов, углеродистые инструментальные стали, легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, штамповые стали, валковые стали.

По качеству: стали обыкновенного качества, стали качественные и высококачественные.

2. Как изменяются структура, механические и технологические свойства стали при увеличении количества углерода?

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4%), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

3. Все структурные составляющие, встречающиеся в сталях.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их;

Аустенит является твердым раствором углерода в г-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в б-железе. В б-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью. Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ - 800. Цементит - нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.

Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ч 220. Сталь, содержащая 0,80% С, имеет чисто перлитную структуру.

Ледебурит - это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, смесь перлита с цементитом.

Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.

4. Какие стали называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэвтектоидными?

Доэвтектоидные: содержат от 0,02 до0,8% углерода. Стали состоят из феррита (Ф) и перлита (П). Количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода.

Эвтектоидные: содержит 0,8% углерода, в ее структуру входит только перлит.

Заэвтектоидные: стали содержат углерода более 0,8%. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита. Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали

4. Индивидуальное задание

Полиморфизм железа. Привести кривые охлаждения и нагрева для железа и дать характеристику всех модификаций железа.

Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур называется полиморфизмом. Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества.

Рис. 6 - Кривые нагрева и охлаждения железа

На рисунке 6 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, характеризующие его полиморфные превращения. При температурах ниже 910°C и выше 1392°C железо имеет объёмно-центрированную кубическую решётку и обозначается б-Fe (феррит). При температурах 910 - 1392°C оно переходит в кубическую гранецентрированную модификацию, которая обозначается г-Fe (аустенит). Аустенит по сравнению с ферритом много лучше растворяет углерод и устойчив до 1392°С. При этой температуре возникает третья модификация - кубически объемно - центрированное железо и обозначается д-Fe. С дальнейшим повышением температуры при 1536°С достигается точка плавления.

При температуре 768°C (точка Кюри) происходит изменение магнитных свойств железа: до 768?С б-Fe ферромагнитно (обладает самопроизвольной намагниченностью), а выше - парамагнитно (обладает положительной магнитной восприимчивостью). Ферромагнетизм исчезает при температуре точки Кюри без какого либо изменения в кристаллической структуре. Точка Кюри не обладает термическим гистерезисом, т.е. при охлаждении железа ниже 768?С ферромагнетизм восстанавливается. В температурном интервале 768 - 910°C существует в-Fe, который отличается от б-Fe параметрами кристаллической решётки и магнитными свойствами.

Вывод: Изучил превращения в сплавах системы железо-цементит и структуры сталей различного состава в равновесном состоянии. Определил содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.

Размещено на Allbest.ru