Закономерности формирования структур

Бийский технологический институт (филиал)

И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров

Лабораторная работа №5 (4 часа)

ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Методические указания к лабораторной работе

Бийск 2009

УДК

Боткин И.В. Исследование углеродистых сталей в равновесном состоянии. Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 151001, 190603, 170104, 240701, 240702, 240706, 160302, 220501, 260601 /И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров.

Алт. гос. тех. ун-т, БТИ, - Бийск

Из-во Алт. Гос. техн. ун-та, 2009. - 16с.

Методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Материаловедение».

В указаниях дается классификация углеродистых сталей по назначению и качеству, а также принципы маркировки. Даются закономерности формирования структур сталей и их свойств в зависимости от концентрации углерода.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Протокол № ___от «___» «________________» 200_ г.

Рецензент: д.т.н., начальник отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай» Игонин Г.С.

©БТИ АлтГТУ, 2009

Цель работы

Изучить стальную часть диаграммы состояния сплавов системы железо – цементит; изучить закономерности изменения свойств сталей в зависимости от концентрации углерода; изучить закономерности формирования структур в зависимости от концентрации углерода; усвоить принципы маркировки углеродистых сталей.

Предмет и содержание работы

Сталями называются железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода не более 2,14 %.

По своему составу стали могут быть или углеродистыми, или легированными. Углеродистыми называются такие стали, в составе которых, кроме железа и углерода, находятся так называемые постоянные примеси в следующем количестве:

марганец – от 0,5 до 0,8 % (в отдельных случаях до 1 %);

кремний – не более 0,35 %;

сера – до 0,050 %;

фосфор – до 0,050 %.

Характерные отличительные признаки углеродистых сталей по маркировке заключаются в следующем:

· в начале марки может стоять прописная буква А, со следующей за ней двухзначной цифрой и отсутствием каких-либо других символов, или прописная буква У, или в составе марки может находиться буквенный символ Ст, или марка может начинаться с двухзначной цифры, за которой или нет больше никаких символов, или может стоять одиночная прописная буква Г, или в конце марки может стоять прописная буква А, или прописная буква Л.

Например: А20; У8А; БСт3пс2; 40; 40Г; 20Л – всё это углеродистые стали.

Под равновесным состоянием стали подразумевается такая структура, которая образуется в результате медленного охлаждения (отжига).

В практике материаловедения изучение любого сплава начинается с изучения диаграммы состояния этого сплава. Диаграммой состояния сплава называется графическая зависимость фазового состава сплавов от температуры и концентрации исходных компонентов. В данной работе нам потребуется диаграмма состояния сплавов системы Fe – Fe₃C, которая изображена на рисунке 1.

В соответствии с диаграммой состояния и концентрацией углерода все стали делятся на три группы:

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe – Fe3C

- доэвтектоидные – стали с концентрацией углерода до 0,8 %; структура таких сталей при комнатной температуре состоит из феррита и перлита;

- эвтектоидные – стали с концентрацией углерода 0,8±0,1 %; их структура при комнатной температуре состоит преимущественно из перлита;

- заэвтектоидные – концентрация углерода в таких сталях от 0,8 до 2,14 %, и при комнатной температуре структура у этих сталей состоит из перлита и вторичного цементита.

Закономерности формирования структур

При концентрациях углерода до 0,006 %, согласно диаграмме состояния, структура состоит только из зерен феррита. Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых, полигональных, хаотически расположенных зерен (рисунок 2). Такие зерна формируют своеобразную матрицу, которая будет сохраняться до концентрации углерода, очень близкой к 0,8 %.

Рисунок 2 – Структура технически чистого железа. Феррит. Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3	Рисунок 3 – Структура технического железа. Концентрация углерода 0,01 %. Основные зёрна – феррит, раздвоенные границы зёрен – цементит. Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3

В интервале концентраций 0,006…0,02 % углерода в структуре появляется третичный цементит. Под микроскопом он будет проявляться в виде раздвоения границ зерен феррита на отдельных участках (рисунок 3). Это объясняется тем, что количество цементита в таких сплавах крайне незначительное.

Начиная с концентрации 0,02 % углерода и выше, в сталях появляются темные зерна перлита. При этом, чем больше концентрация углерода, тем большая площадь в поле зрения микроскопа будет занята темными зернами. Так, например, в стали, содержащей углерода 0,08 %, темных зерен (зерен перлита) весьма небольшое количество. Они небольшие по величине и при малых увеличениях микроскопа приближаются к сферическим формам, хотя, на самом деле, являются полигональными зернами (рисунок 4).

Рисунок 4 – Доэвтектоидная сталь (С=0,08 %). Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3	Рисунок 5 – Доэвтектоидная сталь (С=0,4 %). Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3

С повышением концентрации углерода площадь, занятая зернами перлита, увеличивается, а сами зерна приобретают отчетливо рваную остроугольную форму. На рисунке 5 показана структура стали, содержащая 0,4% углерода. В такой стали половина площади занята светлыми зернами феррита, а другая половина – темными зернами перлита.

При концентрации углерода 0,7 % продолжает сохраняться ферритная матрица, однако площадь занятая зернами перлита будет во много раз больше площади занятой зернами феррита. Здесь зерна феррита будут проявляться в виде светлой, рваной сетки (рисунок 6). Отсюда можно сделать вывод: чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем темнее структура.

При концентрации углерода 0,8 % все поле зрения становится темным (рисунок 7), т.к. структура будет состоять только из зерен перлита. При этой концентрации происходит смена структурной матрицы. На смену ферритной матрице приходит перлитная.

С дальнейшим повышением концентрации углерода, за счет перенасыщения аустенита углеродом, на фоне перлитной структуры начнут появляться зерна вторичного цементита в виде светлой сетки, имеющей на всем своем протяжении, примерно одинаковую толщину. При этом, чем больше в заэвтектоидной стали углерода, тем шире сетка цементита. На рисунке 8 изображена структура стали, содержащая 1,2% углерода.

Рисунок 6 – Доэвтектоидная сталь (С=0,7 %). Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3	Рисунок 7 – Эвтектоидная сталь (С=0,8 %). Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3

Дата добавления: 2015-07-07