Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

6. МИКРОСТРУКТУРА МЕДЛЕННО ОХЛАЖДЕННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Сплавы железа с углеродом до 2,14 % называются сталями

Кроме углерода в сталях присутствуют другие элементы в виде примесей или специальных присадок (легирующие элементы). Примеси попадают в сталь в процессе ее производства. Некоторые примеси, в первую очередь сера и фосфор, ухудшают свойства стали и называются «вредными»; их содержание определяет качество стали. Легирующие элементы (кремний и марганец в количестве более 0,3%, хром, никель и др.) вводят целенаправленно для изменения свойств стали.

Стали, не содержащие легирующих элементов, называют углероди-

стыми.

Углерод сильно влияет на структуру и свойства сталей: с увеличением его содержания повышается их твердость и прочность.

Фазовый состав и структура сталей в равновесном (медленно охлажденном) состоянии зависит от содержания углерода и определяется диаграммой Fe – C (рис. 31).

Левый нижний угол этой диаграммы построил в 1916 году Д.К. Чернов. В построении этой диаграммы участвовали металлурги: Аустен, Ледебур, Сорби, Бейн. В их честь были названы и увековечены фазы и струк-

туры: аустенит, ледебурит, сорбит, бейнит, соответственно.

727

Рис. 31. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом (цементитом)

39

Электронный архив УГЛТУ

Данная диаграмма построена путем термического анализа, что подробно иллюстрирует рис. 32.

Рис. 32. Термические кривые охлаждения, на основании которых построена диаграмма железо-углерод, позволяют рассмотреть изменения фазового состава в процессе кристаллизации (линии ликвидус) и перекристаллизации в твердом

состоянии при эвтектоидной температуре (линия PSK)

40

Электронный архив УГЛТУ

По диаграмме на рис. 31 для любого сплава можно определить:

-температуру начала и температурный интервал кристаллизации;

-температуры вторичных превращений;

-фазовый состав и характер структуры сплавов в зависимости от их химического состава;

-химический состав сплава по соотношению фазовых и структурных составляющих.

Все буквенные обозначения на диаграмме Fe–C постоянны. Например: линия ABCD – ликвидус; линия AHJECF – солидус. Диаграммы, представленные на рис. 32, иллюстрируют то, как опре-

деляются критические температуры (ликвидус, солидус, эвтектика и эвтектоид) термическим методом, как изменяются структура, фазовый состав разных сталей в процессе охлаждения. Это дополняет диаграмму состояния Fe-C и может быть освоено самостоятельно на базе других типов диаграмм.

Фазами диаграммы состояния Fe–C являются: δ-феррит (высокотемпературная фаза), α-феррит, аустенит и цементит (рис. 33).

Рис.33. Металлографические структуры: а – аустенит; б – феррит; в – перлит (0,8 % С); г – оболочковая структура перлит + цементит (1,3 % С)

α-феррит (в дальнейшем феррит) – твердый раствор внедрения уг-

лерода в α-железе – имеет ОЦК решетку. Максимальное содержание углерода в феррите достигается при температуре 727 ºС и составляет 0,02% (точка Р на рис. 31). Феррит мягок и пластичен: НВ 80, δ = 30%.

Аустенит – твердый раствор внедрения в γ-железе – имеет ГЦК ре-

шетку. Максимальное содержание углерода в аустените достигается при температуре 1147 ºС и составляет 2,14% (точка Е на рис. 31), твердость аустенита находится на уровне НВ 170.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с угле-

родом (Fe3C), образование которого наблюдается при 6,67% С. Цементит хрупок и тверд: НВ 800. Цементит, образовавшийся в процессе первичной

41

Электронный архив УГЛТУ

кристаллизации из расплава, называется первичным – Ц1. Цементит, выделяющийся в процессе охлаждения из аустенита, называется вторичным – Ц2; из феррита – третичным – Ц3.

При температуре 727 ºС во всех сплавах системы Fe – C, содержащих более 0,02% С, (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение: аустенит, содержащий 0,8% С (точка S), превращается в эвтектоид стали – пер-

лит.

Перлит – однородная механическая смесь феррита и цементита.

Перлит бывает пластинчатым или зернистым, в зависимости от формы кристаллов цементита. Пластинчатый перлит имеет твердость НВ 240, зернистый – НВ 160.

6.1. Превращения в сталях при медленном охлаждении

Если нагреть сталь выше температуры GSE, то получим аустенитную структуру. При последующем охлаждении, например стали 60 (0,6 0% С), обозначенной на рис. 34 вертикальной линией 1 – 1', до линии GS никаких фазовых превращений происходить не будет. Ниже линии GS (точка «а») аустенит начинает превращаться в феррит. Так как образующийся феррит содержит мало углерода, то непревращенный аустенит при охлаждении обогащается углеродом в соответствии с положением линии GS. При температуре 727 ºС феррит содержит 0,02 % С (точка Р), а аустенит 0,8 % С (точка S). Аустенит этого состава при температуре 727 ºС превращается в перлит.

Рис. 34. Схема определения фазового и структурного состава доэвтектоидной стали

Таким образом, сталь с 0,6 % С после охлаждения до комнатной температуры в качестве структурных составляющих имеет феррит и перлит.

Для стали любого состава по правилу отрезков можно определить: фазовый и структурный состав; химический состав структурных составляющих;

процентное соотношение структурных составляющих. Для примера выберем сталь состава точки k (рис. 34).

42

Электронный архив УГЛТУ

Через точку «k» проведем линию, параллельную оси концентраций, до пересечения с основными линиями диаграммы в точках m и n. Эти точки указывают нам структурные составляющие стали - феррит и перлит (фазовый состав – феррит и цементит). Если из точек m и n опустить перпендикуляры на ось концентраций, то получим химический состав этих структур: феррит содержит 0,007% С, перлит – 0,8% С.

Объемную долю феррита и перлита определим из соотношения длин отрезков:

% П = ( k m / m n ) 100; % Ф = ( k n / m n ) 100.

По соотношению структурных составляющих, оцененных по микрошлифу, можно определить химический состав стали (марку стали). Например, сталь содержит 75% перлита и 25% феррита. Составляем пропорцию:

100% П – 0,8 % С

75% П – Х % С.

Из пропорции получаем: Х = (75 · 0,8) / 100 = 0,60 (%С).

Марка стали – сталь 60.

Взависимости от содержания углерода стали называют: техническим железом или армко-железом (менее 0,03 %); малоуглеродистыми (0,03…0,30 %); среднеуглеродистыми (0,3…0,7 %); высокоуглеродистыми (более 0,7 %).

Взависимости от характера структуры стали называются доэвтектоидными (структурные составляющие – феррит и перлит; содержание уг-

лерода менее 0,8 % С); эвтектоиднымими (перлит; 0,8 % С); заэвтекто-

идными (перлит и цементит; более 0,8 % С).

По назначению углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Конструкционные стали (содержание углерода до 0,7 %), подразделяющиеся:

на обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) – маркировка: Ст 0 ... Ст 6 (содержание углерода по ГОСТу);

качественные стали (ГОСТ 1050-88) – маркировка: сталь 45, сталь 60 (содержание углерода указывается в сотых долях процента, т. е. сталь

45 содержит 0,45 % С).

2. Инструментальные стали (содержание углерода более 0,7% С, ГОСТ 1435-90) подразделяются на:

качественные стали (содержание серы и фосфора менее 0,03 %) – маркировка: У7,У10…У13 (содержание углерода указывается в десятых долях процента, т.е. сталь У12 содержит 1,2 % С);

высококачественные стали (содержание серы и фосфора менее 0,01 %) – маркировка: У7А…У13А.

43