Биронт, В.С. Структура железоуглеродистых и цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-11-

Таблица 1.3

Схема фазовых и структурных превращений в стали

с содержанием 0,1–0,16 % С

Условия

развития

превраще-

ния

Δt

ниже ли-

нии AВ

t = const

на линии

HIB

Δt

ниже ли-

нии HIB

Δt

ниже ли-

нии GS

t = const

на линии

PSK

Δt

ниже линии

Фазо-

вый

состав

→

(α + Fe

→

(α + Fe

III

Струк-

тура

→ Ж + Ф

→ Ж + А → А → А + Ф → П + Ф → П + Ф + Ц

III

Таблица 1.4

Схема фазовых и структурных превращений в стали

с содержанием 0,16–0,51 % С

Условия

развития

превраще-

ния

Δt

ниже ли-

нии AВ

t = const

на линии

HIB

Δt

ниже ли-

нии HIB

Δt

ниже ли-

нии GS

t = const

на линии

PSK

Δt

ниже линии

Фазо-

вый

состав

→

(α + Fe

→

(α + Fe

Структурно не выявляется

III

Струк-

тура

Ж → Ж + Ф

→ Ж+ А →

А →

А + Ф → П + Ф → П + Ф + Ц

III

Таблица 1.5

Схема фазовых и структурных превращений в стали

с содержанием 0,51–0,8 % С

Условия разви-

тия превращения

Δt

ниже линии

BС

Δt

ниже линии

t = const

на линии

PSK

Δt

ниже линии PQ

Фазовый

состав

→

(α + Fe

→

(α + Fe

Структурно не выявляется

III

Структура

→

А + Ф

→

П + Ф

→

П + Ф + Ц

III

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-12-

В образцах 12, 14, 22 доэвтектоидных сталей в результате превраще-

ния при кристаллизации и в твердом состоянии формируется структура, со-

стоящая из зерен феррита и перлита. Соотношение структурных составляю-

щих меняется при разном содержании углерода в доэвтектоидных сталях,

(рис. 1.3

), практически от 100 % феррита в техническом железе до

100 % перлита в эвтектоидной стали (образец 21). При этом меняется тип

структуры сталей.

В доэвтектоидной стали по площади (F

) шлифа, занимаемого перли-

том, определяется содержание углерода в стали (С): С, % = 0,8 F

/100. Это

выражение вытекает из примерно равной плотности феррита и перлита.

В малоуглеродистых сталях при содержании углерода до 0,1–0,3 %

(образец 12) основу структуры составляет феррит с включениями перлита

преимущественно на стыках зерен феррита (рис. 1.3, а

Рис. 1.3. Микроструктура доэвтектоидной стали при содержании углерода, %:

а – 0,15; б – 0,5; в – 0,65 ×250

Увеличение содержания углерода в стали до 0,4–0,5 % (образец 14)

приводит к тому, что количество феррита и перлита в структуре будет почти

одинаково. При содержании углерода 0,5 % и выше основу стали составляет

перлит с выделением феррита преимущественно по границам зерен (рис. 1.3, б

Если углерода в стали от 0,6 до 0,8 % (образец 22) феррита становится на-

столько мало, что он просматривается в виде тонкой ферритной сетки по

границам перлитных колоний (рис. 1.3, в

). При ускоренном охлаждении та-

кой стали из аустенитной области (неравновесные условия) уменьшается до-

ля выделяющегося избыточного феррита, а структура становится подобной

эвтектоидной. Такую структуру называют квазиэвтектоидом.

Таким образом, с повышением содержания углерода в стали увеличи-

вается количество перлита, а, значит, повышается ее прочность и уменьшает-

ся пластичность.

Стали с содержанием углерода 0,8 % называют эвтектоидными (об-

разцы 21, 26). Структура эвтектоидной стали состоит из пластинчатого или

зернистого перлита (рис. 1.4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-13-

Рис. 1.4. Микроструктура эвтектоидной стали × 500:

а – пластинчатый перлит; б – зернистый перлит

Формирование структуры эвтектоидной стали происходит по схеме

(табл. 1.6

Таблица 1.6

Схема фазовых и структурных превращений в стали

с содержанием углерода 0,8 % С

Условия развития превращения

Δt

ниже линии BС

t = const

в точке S

Фазовый состав

→

(α + Fe

Структура

→

Основное превращение в эвтектоидной стали – это распад аустенита

при переохлаждении ниже 727

°С (точка S на диаграмме железо–углерод) на

эвтектоид – перлит (феррито-цементитная смесь). Чаще перлит имеет пла-

стинчатое строение (рис. 1.4, а

При наиболее медленном охлаждении сплава (десятые доли градуса в

минуту) эвтектоид может получить зернистое строение (образец 26). Форма

цементита в составе перлита определяется особенностями диффузионного

перераспределения углерода в аустените в период его эвтектоидного распада

(рис. 1.4, б

Содержание углерода в заэвтектоидной стали 0,8 < C < 2,14 %. Фор-

мирование структуры заэвтектоидной стали происходит по следующей схеме

(табл. 1.7

Таблица 1.7

Схема фазовых и структурных превращений в заэвтектоидной

стали с содержанием углерода 0,8–2,14 % С

Условия развития

превращения

Δt

ниже линии BС

Δt

ниже линии SЕ

t = const

на линии PSK

Фазовый состав

→

(α + Fe

Структура

→

А + Ц

→

П + Ц

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-14-

Структура заэвтектоидной стали в от-

тоженном состоянии (образец 23) представля-

ет собой перлит и вторичный цементит в виде

сетки по границам зерен или (реже) в виде игл

(рис. 1.5

). Вторичный цементит выделяется из

аустенита при охлаждении ниже линии ES.

При достижении температуры 727 °С остав-

шийся аустенит распадается с образованием

эвтектоида – перлита. Чем больше углерода в

заэвтектоидной стали, тем больше в ней вто-

ричного цементита, максимальное содержа-

ние которого достигает 20 % (в стали состава

точки Е). Это приводит к увеличению толщи-

ны цементитной сетки. С ростом содержания углерода более 0,8 % уменьша-

ется пластичность и прочность стали. Это связано с образованием в заэвтек-

тоидной стали сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко

разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали

подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структу-

ру зернистого перлита.

Ускоренное (неравновесное) охлаждение так же, как и в доэвтектоид-

ных сталях, может приводить к образованию квазиэвтектоида, что уменьшает

склонность стали к хрупкому разрушению.

В структуре сталей часто можно обнаружить структурные дефекты,

такие как видманштетова структура (образец 27) и строчечность (образец 28).

При ускоренном охлаждении доэвтектоидной стали из аустенитной

области ниже линии GS полиморфное превращение γ → α идет в условиях

частичной когерентности решеток исходного аустенита и образующегося

феррита, при котором происходит ориентированный рост кристаллов ферри-

та относительно подобных кристаллографических плоскостей в составе ау-

стенита. В результате в структуре феррит выглядит в виде скопления игл

(фактически – пластин), которые могут пересекаться (рис. 1.6

). Видманштет-

това структура (феррит) имеет грубое, крупнозернистое строение, она опре-

деляет низкую пластичность и невысокую твердость сталей, поэтому образо-

вание такой структуры нежелательно. Видманшеттова структура может на-

блюдаться в перегретых поковках, перегретой околошовной зоне сварных

швов, в литой стали и после перегрева при термообработке с ускоренным ох-

лаждением. В литой доэвтектоидной стали видманштеттова структура пред-

ставлена ориентированными зернами феррита и перлита (образец 27).

Рис. 1.5. Микроструктура заэв-

тектоидной стали. Отожженное

состояние

250

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-15-

Рис. 1.6. Микроструктура доэвтектоидной

стали в литом состоянии (видманштеттова

структура) ×250

Рис. 1.7. Микроструктура доэвтектоидной

стали в горячекатаном состоянии (строчеч-

ная структура)

250

Доэвтектоидная сталь в горячекатаном состоянии имеет строчечную

структуру в виде вытянутых полос перлита и феррита (рис. 1.7

Такая структура (образец 28) образуется в том случае, когда горячую

пластическую деформацию доэвтектоидной стали заканчивают ниже линии

GS диаграммы Fe–Fe

C, что соответствует температуре двухфазной аусте-

нитно-ферритной области (преимущественно 730–800 °С). В такой стали зер-

на феррита и колонии перлита вытянуты вдоль направления прокатки. Это

вызывает анизотропию свойств.

1. Сформулировать цель работы.

2. Изобразить диаграмму состояния Fe–Fe

C, указать расположение

изучаемых сталей и построить кривые охлаждения. Описать процессы, про-

исходящие при кристаллизации и последующем охлаждении в углеродистых

сталях.

3. Представить в порядке выполнения работы рисунки микроструктур

сталей. Под каждой микроструктурой указать увеличение микроскопа, марку

стали и химический состав.

4. На микроструктуре указать структурные составляющие стали.

5. Сделать выводы об общности и о принципиальных отличиях струк-

тур сталей в литом, отожженном и горячекатаном состояниях, о возможных

путях воздействия на структуру сплавов с целью улучшения комплекса их

свойств.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-16-

1. Назовите модификации железа и углерода.

2. Укажите типы решеток α-Fe и γ-Fe.

3. Дайте определение феррита, аустенита, перлита.

4. Укажите максимальную растворимость углерода в феррите и ау-

стените.

5. Какое превращение идет в сталях при переохлаждении ниже 727°С?

6. В каких сталях по содержанию углерода перитектическое превра-

щение заканчивается с избытком жидкости или с избытком феррита?

7. Укажите линию начала полиморфного превращения аустенита в

феррит в доэвтектоидных сталях.

8. Какие сплавы диаграммы Fe–C относят к сталям и чугунам?

9. Какие структурные составляющие имеет доэвтектоидная, эвтекто-

идная и заэвтектоидная сталь в отожженном состоянии?

10. Как определить количество перлита и феррита в структуре доэв-

тектоидной стали?

11. Какое строение может иметь перлит в условиях различных скоро-

стей охлаждения?

11. Как влияет на свойства доэвтектоидной и заэвтектоидной стали

расположение феррита и вторичного цементита по границам зерен перлита?

12. В каких условиях в сталях формируется видманштеттовая струк-

тура и как она влияет на свойства?

1. По стандартам и справочникам описать марки сталей, их химиче-

ский состав, свойства и применение. Марки стали: 10, 30, 50, 45, 60, 65, 20,

35, 15, У8, У10, У12, 20Х, 40Х, 40ХН, 38ХС, 18ХГТ, 38Х2МЮА, 65Г, 20ХН,

30ХГТ, 40ХС, 9ХФ, ХВГ, 6ХВГ, Х12, 5ХНМ, 3Х3М3Ф, 4Х3ВМФ, 5ХНВ.

2. Определить по маркам фазовые превращения при охлаждении угле-

родистых сталей 10, 30, 50, 45, 60, 65, 20, 35, 15, У8, У10, У12. Изобразить

формирование структуры с определением фазовых и структурных состав-

ляющих в различных температурных интервалах.

1. Новиков, И. И. Металловедение, термообработка и рентгенография

/ И. И. Новиков, Г. Б. Строганов, А. И. Новиков. – М. : МИСиС, 1994. – 480 с.

2. Лившиц, В. Г. Металлография / В. Г. Лившиц. – М. : Металлургия,

1990.– 236 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Библиографический список



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-17-

3. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы : учеб. пособие /

В. С. Биронт, А. А. Ковалева, Т. А. Орелкина, Л. С. Цурган; ГАЦМиЗ. –

Красноярск, 2002. – 128 с.

4. Геллер, Ю. А. Материаловедение / Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. –

М. : Металлургия, 1975. – 447 с.

5. Лахтин, Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов /

Ю. М. Лахтин. – М. : Металлургия. – 1983. – 359 с.

6. Материаловедение. Формирование структуры в сплавах двухком-

понентных систем : учеб. пособие / В. С. Биронт, Т. А. Орелкина, В. Ю. Гур-

ская, В. И. Аникина; ГАЦМиЗ. – Красноярск, 2006. – 96 с.

5. Металлография реальных сплавов : метод. указания по выполне-

нию лаборат. работ / сост. В. Д. Сидоренко [и др.]; под ред. В. С. Биронта;

ГАЦМиЗ. – Красноярск, 1996. – 64 с.



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-18-

Цель работы: изучить структуру чугунов общего назначения. Про-

анализировать формирование структуры сплавов при кристаллизации и фа-

зовых превращениях в твердом состоянии. Установить связь между диаграм-

мой состояния железо–цементит (железо–графит) и структурой сплавов.

1. На световом микроскопе просмотреть микроструктуру образцов из

белого, серого, высокопрочного и ковкого чугуна. Зарисовать изучаемую

структуру, указать фазы и структурные составляющие сплавов.

2. Изобразить метастабильную и стабильную диаграммы состояния

Fe–C. Для сплавов указать критические точки, проанализировать формирова-

ние структуры при кристаллизации из жидкости и на разных этапах развития

фазовых превращений в твердом состоянии.

3. Определить фазовые и структурные составляющие чугунов, сопос-

тавить их с диаграммами состояний и условиями охлаждения сплавов.

Белые чугуны относятся к высокоуглеродистым сплавам системы

железо–углерод. В белых чугунах не присутствует С (графит) в свободном

состоянии, а только в виде соединения Fe

C – цементита.

Фазовое состояние белых чугунов определяется метастабильной диа-

граммой Fe–Fe

C в области концентраций углерода от 2,14 до 6,67 % (рис. 2.1).

В белых чугунах, в отличие от сталей, реализуется эвтектическое пре-

вращение при температуре 1147 °С: Ж

1147

  →

+ Fe

эвтектику

(γ

+ Fe

называют ледебуритом.

Ледебурит – это эвтектическая физико-химическая смесь аустенита и

цементита, образующаяся в результате эвтектической кристаллизации из

жидкости, содержащей 4,3 % углерода. Ледебурит представляет собой коло-

нийную структуру, основу которой составляют пластины цементита, про-

росшие разветвленными кристаллами аустенита. На шлифе колония ледебу-

рита в зависимости от направления поверхности шлифа относительно аусте-

нитных ветвей может выглядеть либо в виде «зернистой» смеси при попе-

речном сечении колонии, либо «пластинчатой» – при продольном сечении.

При сечении колонии под углом к плоскости базиса цементита сечения ау-

стенитных ветвей в составе ледебурита будут эллиптической конфигурации.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-19-

Рис. 2.1. Фазово-структурная метастабильная диаграмма железо–цементит

Кроме колонийного (сотового) ледебурита эвтектическая смесь аусте-

нита и цементита может встречаться в виде пластинчатой эвтектики, пред-

ставляющей собой пакет тонких цементитных пластинок, разделенных ау-

стенитом. Чаще всего пакет пластинчатого ледебурита составляет основу, на

которой зарождается и растет колония сотового ледебурита.

Ледебурит, состоящий из эвтектической смеси аустенита и цементита,

устойчив в температурном интервале от эвтектической до эвтектоидной линии

на диаграмме Fe–Fe

C. При понижении температуры ниже 727 ˚С аустени т в

составе ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение γ

→ α

+ Fe

C, и

при комнатной температуре превращенный ледебурит представляет собой эв-

тектическую смесь перлита с цементитом [(α

+ Fe

C) + Fe

C]. Строение пер-

лита в ледебурите такое же, как и в сталях.

Ледебурит, как и цементит, образующий его основу, тверд, износосто-

ек и обладает практически нулевой пластичностью. Эти свойства ледебурита

лежат в основе использования такой структуры в белых чугунах, которые

применяются в качестве одних из наиболее износостойких материалов.

Стабильная диаграмма состояния железо–графит используется для

описания фазовых и структурных превращений в железоуглеродистых спла-

вах, содержащих в структуре свободный углерод (графит). В сплавах диа-

граммы состояния Fe–C происходит эвтектическое превращение Ж

→ γ

при температуре 1153 °С с образованием аустенито-графитной эвтектики.

Аустенито-графитная эвтектика представляет собой смесь кристал-

лов аустенита и графита, сформировавшуюся при одновременном выделении

из жидкости состава 4,25 % С обеих фазовых составляющих. При малых сте-

пенях переохлаждения графит эвтектики имеет, как и первичный графит,

разветвленную пластинчатую форму.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-20-

В условиях очень медленного охлаждения при температуре ниже 738 °С

аустенит, содержащий 0,69 % С, распадается по реакции γ

→ α

+ Г на эв-

тектоидную физико-химическую смесь – феррито-графитный эвтектоид (α

Г).

Феррито-графитный эвтектоид – это дисперсная смесь феррита, со-

ставляющего основу структуры сплава, и дисперсных разветвленных или

сферических частиц графита, распределенных в феррите статистически рав-

номерно. Однако в большинстве случаев эвтектоидный графит при распаде

аустенита осаждается на ранее образовавшихся первичных и эвтектических

кристаллах графита. Эвтектоидное превращение с образованием феррито-

графитного эвтектоида используется при термической обработке чугунов и

графитизированной стали для получения феррито-графитной структуры, об-

ладающей хорошими антифрикционными свойствами при сохранении доста-

точно высокой пластичности сплавов.

Образец 42 – эвтектический белый чугун (С = 4,3 %). Структура: пре-

вращенный ледебурит, состоящий из перлита и цементита.

Образец 41– доэвтектический белый чугун (сплав с содержанием уг-

лерода от 2,14 до 4,3 %). Структура: перлит, превращенный ледебурит (пер-

лит + цементит) и вторичный цементит.

Образец 43 – заэвтектический белый чугун (4,3 < С < 6,67 %). Струк-

тура: первичный цементит и превращенный ледебурит.

Образец 44а – серый чугун на ферритной основе. Структура: пла-

стинчатый графит, феррит.

Образец 44 – серый чугун на перлитной основе. Структура: пластин-

чатый графит, перлит, фосфидная эвтектика.

Образец 45 – серый чугун на феррито-перлитной основе. Структура:

пластинчатый графит, феррит, перлит и фосфидная эвтектика.

Образец 46 – ковкий чугун. Структура: феррит и хлопьевидный графит.

Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % называется эвтектиче-

ским. На кривой охлаждения эвтектического чугуна имеются две критиче-

ские точки. Формирование структуры эвтектического чугуна можно описать

структурной цепочкой согласно табл. 2.1

Таблица 2.1

Схема фазовых и структурных превращений

в эвтектическом чугуне с содержанием углерода 4,3 % С

Условия развития превращения

t = const

в точке С

t = const

на линии PSK

Фазовый состав

→

(γ + Fe

→

[(α + Fe

+ Fe

Структура

→