Какую структуру имеет эвтектоидная сталь при комнатной температуре

Низкоуглеродистые стали на фазовой диаграмме

Фазовая диаграмма железо-углерод показывает зависимость фазового состава стали от температуры: аустенита, феррита или их смеси. В чистом железе аустенит превращается в феррит при охлаждении до 912 ºС. Температура, при которой аустенит начинает превращаться в феррит, традиционно называется температурой А3.

Эвтектоидная точка сталей

Добавление углерода в железо приводит к снижению температуры А3. Максимальное снижение этой температуры – 727 ºС – достигается при содержании углерода 0,77 %. Эта точка на фазовой диаграмме железо-углерод называется эвтектоидной точкой или, иногда, перлитной точкой. В этой точке фазовой диаграммы происходит эвтектоидная реакция, то есть реакция, при которой одна твердая фаза превращается в две твердых фазы. Стали, которые имеют содержание углерода менее 0,77 % называются доэвтектоидными сталями или низкоуглеродистыми сталями. Эвтектоидную температуру 727 ºС традиционно обозначают А1.

Растворимость углерода в феррите и аустените

Стали, которые являются 100%-ным аустенитом занимают центральную темную область фазовой диаграммы на рисунке 1. Стали, которые являются ферритом, должны иметь в координатах «температура – содержание углерода» в узкой темной области на левом краю фазовой диаграммы. Максимальное содержание углерода, которое может раствориться в ферритном железе, составляет всего лишь 0,02 % и это происходит при эвтектоидной температуре 727 ºС. Это означает, что феррит по сути является чистым железом, так как он является чистым по отношению к углероду на 99,98 % и чище.

Рисунок 1 – Часть фазовой диаграммы железо-углероддля доэвтектоидных – низкоуглеродистых – сталей

(содержание углерода менее 0,77 %)

Аустенит может растворять углерода намного больше, чем феррит. При эвтектоидной температуре аустенит растворяет 0,77 % углерода, что в 38 раз больше, чем может содержать феррит при той же температуре. Аустенит содержит больше углерода, чем феррит, потому что гранецентрированная кристаллическая структура аустенита имеет больше места между атомами железа, чем объемно-центрированная кристаллическая структура феррита.

Доэвтектоидные стали – сталь 40

Рассмотрим заштрихованную область фазовой диаграммы на рисунке 1, которая обозначена γ+α. Эта область, представляет собой множество координат «температура – содержание углерода», при которых сталь является смесью феррита и аустенита.

Представим себе высокотемпературный микроскоп, в который мы рассматриваем полированную поверхность стали с содержанием углерода 0,4 % – низкоуглеродистую сталь 40 – при температуре 760 ºС. Поскольку точка с таким химическим составом и при такой температуре лежит в области γ+α, то сталь будет представлять собой смесь феррита и аустенита. Пример такой структуры показан внизу рисунка 1. Фазовая диаграмма дает также информацию о составе этих двух фаз. Аустенитные зерна должны иметь состав, который обозначен на фазовой диаграмме рисунка 2 буквой N, а феррит – состав, который обозначен буквой M.

Рисунок 2 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод и измененияв микроструктуре низкоуглеродистой стали

при охлаждении стали 40 от 850 до 760 ºС

Охлаждение стали 40 – феррит по границам аустенитных зерен

В качестве иллюстрации полезности фазовой диаграммы рассмотрим следующий простой эксперимент. Сталь с содержанием углерода 0,4 % – низкоуглеродистую сталь 40 – сначала нагревают до температуры 850 ºС и выдерживают приней около 10 минут. После этой короткой выдержки все зерна в этой стали будут являться чистыми гранецентрированными аустенитными зернами с содержанием углерода 0,4 %.

Цементит: формы существования

Так называют соединение углерода и железа. Это компонент чугуна и некоторых сталей. В него входит 6,67% углерода.

В его кристалл входит несколько октаэдров, они расположены друг по отношению к другу с некоторым углом. Внутри каждого из них расположен атом углерода. В результате такого построения получается следующая картина – один атом вступает в связь с несколькими атомами железа, а железо в свою очередь связано с тремя атомами этого элемента.

Кристаллическая решетка цементита

У этого вещества имеются все свойства, которые присущи металлам – электропроводность, своеобразным блеском, высокая теплопроводность. То есть, смесь железа и углерода, ведет себя как металл. Этот материал обладает определенной хрупкостью. Большая часть его свойств определена сложным строением кристаллической решетки.

Этот материал плавится при 1600 градусах Цельсия. Но на этот счет существует несколько мнений, одни исследователи считают, что его температура плавления лежит в диапазоне от 1200 до 1450, другие определяют, что верхний уровень равен 1300 °С.

Первичный цементит

Металлурги разделяют три типа этого вещества – первичный, вторичный, третичный.

Диаграмма железо-цементит

Первичный, получается из жидкости при закалке сплавов, которые содержат в себе 5,5% углерода. Первичный имеет форму в виде крупных пластин.

Вторичный

Этот элемент получается из аустенита при охлаждении последнего. На диаграмме этот процесс этот процесс можно видеть по диаграмме Fe – C. Цементит представлен в виде сетки, размещенной по границам зерен.

Третичный

Этот тип, является производным от феррита. Он имеет форму иголок.

В металлургии существуют и другие формы цементита, например, цементит Стеда и пр.

Другие структурные составляющие в системе железо углерод

Перлит

Перлит – это механическая смесь, которая состоит из феррита и цементита. Ледебурит представляет собой переменный раствор.

Перлит

При температуре от 1130 и до 723 °С в его состав входят аустенит и цементит. При более низких температурах он состоит из аустенит заменяет феррит.

Доэвтектоидные стали

Лабораторнаяработа №1

Тема:

МИКРОСТРУКТУРНЫЙАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В РАВНОВЕСНОМСОСТОЯНИИ.

Цельработы

.Ознакомиться с методикой микроскопическогоанализа железоуглеродистых сплавов иизучить микроструктуры углеродистыхста­лей и чугунов. Данная тема важнадля понимания природы железо-углеродистыхсплавов (железа, стали, чугуна). Студентыдолжны ясно представлять процесскристаллизации этих сплавов, природуаллотропических превращений в связанномс этим изменение свойств сплавов.

Изучатьдиаграмму железо-углерод следует почастям. Сначала нужно взять верхнийжелезный угол, где образуется дельта –раствор и гамма – раствор (аустенит), итщательно обработать процесс образованияэтих растворов при различном содержанииуглерода в разных температурах. Затемследует подробно разобрать первичнуюкристаллизацию сплавов с содержаниемуглерода выше двух процентов (сплавы-чугуны)и перейти к изучению процесса вторичнойкристаллизации сплавов.

Здесь нужноуяснить процесс перекристаллизацииаустенита для сплавов с различнымсодержанием углерода при понижениитемпературы. Необходимо хорошо знатьструктурные составляющие сталей ичугунов (феррит, перлит, аустенит,цементит, ледебурит и др.) и уметьпоказать, где они находятся на диаграммесостояния железо-углерод.

Кроме того,следует хорошо разбираться в классификациисталей и чугунов по назначению ихимическому составу, в маркировкесплавов по ГОСТу в зависимости отсодержания углерода, легирующих элементови строения сплавов.

Задание.

1. Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в отожженном состоянии.
2. Изучить микроструктуру белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов.
3. Освоить метод приближенного определения содержания углерода в стали.
4. Начертить диаграмму состояния железо-цементит.
5. Сделать выводы по работе.

Приборы,материалы, инструменты

.Для выполнения работы необходимо:

-металлографическиемикроскопы МИМ-7;

-комплектынаборов микрошлифов;

-альбомы фотографий микроструктур.

Методикапроведения эксперимента.

Лабораторнуюработу выполняют после изучения диаграммысостояния железо-углерод (железо-цементит),изучив структурные составляющиежелезоуглеродистых сплавов. Работувыполняют три бригады по 4-5 человек.Каждое рабочее место оборудовано однимметаллографическим микроскопом инабором шлифов железоуглеродистыхсплавов.

Теория.

Подравновесным состоянием сплава понимаетсясостояние, когда все фазовые превращенияв сплаве полностью закончились всоответствии с диаграммой состояния.Такое состояние выступает только приочень медленном охлаждении. Следовательно,основой для определения структурныхсоставляющих железоуглеродистых сплавовв равновесном состоянии являетсядиаграмма состояния Fe– Fe3C(рис.3.1), основы которой были выведеныД.К.Черновым, когда он открыл

Изменение структуры в зависимости от содержания углерода

Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы — цементита третичного. При содержании углерода до 0,025 % структурно свободный цементитвыделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существеннопонижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит располагается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.

При увеличении содержания углерода выше 0,025% в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10 — 0,15% С в стали появляютсявключения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшимповышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.

По микроструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (выделением из феррита избыточного третичного цементита пренебрегаем). С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита — увеличивается (рис. 3).

При содержании в стали 0,8% углерода количество перлита равно 100%.

На рисунке 10 показана микроструктура доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода. Отчетливо видно, что содержание перлита (темная составляющая) увеличивается с повышением содержания углерода.

Структура эвтектоидной стали (0,8 С) состоит из одного перлита, всё поле заполнено перлитом.

Структура заэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, причем цементит может располагаться в виде сетки, зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей вместо обычного перлита может быть зернистый перлит, который получают после специальной термообработки.Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит– на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Рис. 4. Равновесная диаграмма

Последовательность образования равновесной структуры

На примере сплава, содержащего 0,5% С, рассмотрим последовательность протекания фазовых превращений, образующих в конечном счете равновесную структуру, предполагая его охлаждение с температур жидкого состояния равновесным. Схема кривой охлаждения показана на рис. 4.1.

Итак, до температуры 1 следует простое охлаждение жидкого сплава.

От точки 1, лежащей на линии ликвидуса, начинается образование кристаллов аустенита. Их количество растет и при температуре в точке 2 процесс кристаллизации заканчивается. Далее последует простое охлаждение зерен аустенита.

Рис. 4.1. Схема кривой охлаждения сплава (0,5% С) и образования его равновесной ферритно-перлитной структуры

По достижении температуры точки 3 (рис. 4.1) посредством перестройки ГЦК решетки в ОЦК решетку аустенит начинает превращаться в феррит. Это происходит практически одновременно в каждом зерне аустенита. Причем, концентрация углерода в образующемся феррите, в соответствии с его природой, определяется кривой PG диаграммы состояния. Поскольку в интервале температур 3-4 в аустените появляется и количественно растет ферритная составляющая с явно меньшим содержанием растворенного углерода, чем в анализируемом сплаве, концентрация углерода в убывающем количественно аустените увеличивается. Ее изменения описываются кривой GS диаграммы (рис. 4.1).

В итоге, при температуре точки 4 в пределах границ каждого первичного зерна аустенита в равновесии окажутся феррит состава точки P и остаток аустенита состава точки S.

Последующий отвод тепла нарушит устойчивость остатка аустенита и он претерпит диффузионное эвтектоидное превращение в перлит по схеме:

ЭФgS

→ (α+Fe3C)

Процесс совершается с выделением тепловой энергии и поэтому протекает на отрезке изотермы 4-4′ (рис. 4.1). Охлаждение ниже точки 4′ практически не изменит образовавшейся структуры. Она состоит из феррита и перлита.

Подобная структура типична для любого доэвтектоидного сплава. Причем, по мере увеличения концентрации углерода монотонно растет количество перлитной составляющей и убывает количество ферритной составляющей.

В заэвтектоидных сплавах их равновесное охлаждение ниже сольвусаES сопровождается образованием вторичного цементита, образующего оболочку вокруг первичного аустенитного зерна. Затем аустенит превращается в перлит. Поэтому любой заэвтектоидный сплав со структурой из зерен перлита, окаймленных оболочкой вторичного цементита.

Задания

1. Зарисовать диаграмму состояния железо-цементит. Построить кривые охлаждения для доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Описать, как формируется структура сталей при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

2. С помощью микроскопа изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии. Зарисовать наблюдаемые в микроскоп структуры, определить количество присутствующих фаз и структурных составляющих в процентах, сравнить микроструктуры углеродистой и легированной хромом сталей с одинаковым содержанием углерода и дать описание.

3. Освоить метод приближенного определения углерода в стали по микроструктуре.

Контрольные задания

1. Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали марки 50 (0,5%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 730 °С.

2. Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали.

3. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки У12 (1,2%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре.

4. Структура стали состоит из 30% перлита, остальное -феррит. Зарисовать микроструктуру стали. Определить содержание углерода в ней.

5. Зарисовать и описать микроструктуру технического железа с содержанием 0,01% С. Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре.

6. Зарисовать и описать микроструктуру стали с содержанием углерода 0,02%. Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 727°С.

7. Структура стали состоит из 70% перлита, остальное -феррит. Зарисовать микроструктуру стали, определить содержание углерода в ней.

8. Структура стали состоит из одного перлита. Зарисовать микроструктуру стали. Определить количество цементита.

9. Сталь марки У10 (1,0%С) медленно охлаждалась с температуры на 50 °С выше линии SE диаграммы Fe-Fe3C. Зарисовать и описать микроструктуру стали. Определить количество цементита в стали при комнатной температуре.

10. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки 70 (0,7% С). Определить количество перлита, феррита и цементита в стали.

11. Структура стали состоит из 90% перлита, остальное -вторичный цементит. Зарисовать указанную структуру, определить содержание углерода в стали.

12. Структура заэвтектоидной стали марки У13 (1,3% С) состоит из перлита и вторичного цементита. Зарисовать указанную структуру. Определить количество цементита в ней.

13. В структуре стали содержится 12% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали.

14. В структуре стали содержится 5,25% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали.

Вопросы для повторения

1. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит?

2. Сколько углерода может раствориться в феррите?

3. Как выглядят феррит, цементит и перлит при рассмотрении в микроскоп?

4. В структуре, каких сталей присутствует третичный цементит, какова его роль в формировании свойств стали?

5. В структуре, каких сталей присутствует вторичный цементит?

6. При каких условиях вторичный цементит в заэвтектоидных сталях образует сплошную прослойку (сетку) по границам зерен перлита, и как это отражается на свойствах стали?

7. При каком содержании углерода в структуре углеродистой стали появляется перлит?

8. Какие структурные составляющие содержатся в структуре железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода до 0,02%?

9. Как изменяется структура доэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода?

10. Как по количеству перлита определить приближенно содержание углерода в стали?

11. Какие структурные составляющие присутствуют в структуре заэвтектоидных сталей?

12. Как и почему изменяются свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии с увеличением содержания углерода?

Литература

1.Арзамасов Б.И. Материаловедение технология конструкционных материалов. М: Издательский , 2007.

2. Сироткин О.С. Теоретические основы общего материаловедения, Казань КГЭУ, 2007, 348с.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

Лабораторная работа № 3

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо углерод

На диаграмме железо углерод отмечено некоторое количество точек, называемых критичными. Каждая точка несет в себе информацию о температуре, долевом содержании углерода и описанием того, что именно происходит в этом месте.

Всего существует 14 этих критичных точек.

Например, А, говорит о том, что при температуре 1539 °С и при нулевом содержании углерода происходит плавление чистого железа. D говорит о том, что при температуре 1260 возможно плавление Fe3c.

Точки расположены на пересечении линий, размещенных на диаграмме.