Фазы и структурные составляющие стали реферат

Обновлено: 30.06.2024

Железо и углерод – полиморфные химические элементы, которые способны изменять тип элементарной кристаллической ячейки под действием температуры и давления.

Если углерод является основным легирующим элементом в сплавах на основе железа, то такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в таких сталях не превышает 2,14 %. Сталь, в которой присутствуют легирующие элементы (усложняющие ее химический состав), называется легированной.

Для оценки качества сталей, закономерностей процессов разрушения, разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов, а также при борьбе с браком и при работах над улучшением качества продукции необходимо знать их структурное состояние и его

Структура сталей является характеристикой свойств. Структурночувствительные свойства зависят от термической обработки (твердость, прочность). Характеристики жесткости (модуль нормальной упругости, модуль сдвига), жаростойкость (окалиностойкость) не чувствительны к изменениям структуры.

Под структурой понимают строение, форму, размеры и характер расположения соответствующих фаз. Фазы являются структурными составляющими, имеющими однородное (гомогенное) кристаллическое строение и агрегатное состояние, отделенные от других составных частей поверхностями (границами) раздела. Составляющими микроструктур являются фазы. Под фазой понимают однородную часть сплава, имеющую

границу раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачком. Стали могут быть однофазными, двухфазными и многофазными.

Структура сталей зависит главным образом от того, в какие химические взаимодействия вступают компоненты (химические элементы, входящие в состав стали). Компоненты могут образовывать следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. В твердом состоянии в сталях может не быть химического взаимодействия между компонентами, в таком случае структура является механической смесью,

1. Твердые растворы, в которых основной компонент (растворитель) сохраняет свой тип кристаллической решетки, а атомы растворенного компонента замещают часть атомов в этой решетке (твердый раствор замещения) или внедряются в междоузлия (твердый раствор внедрения). На диаграмме состояния железо-углерод (см. приложение А) им соответствуют области, ограниченные убывающими и возрастающими линиями

2. Химическое соединение имеет новый тип кристаллической решетки, который отличается от кристаллических решеток составляющих его компонентов. Поэтому подобно химически чистому элементу плавится при постоянной температуре. Оно образуется при строгом стехиометрическом соотношении химических элементов, т. е. имеет химическую формулу – Fe3C (цементит) – это однофазный сплавна основе железа, содержащий 6,67 % углерода (см. приложение А).

Химическое соединение может быть фазой и структурой. Это оксиды (FeO), карбиды (VC, WC, TiC), интерметаллиды (FeAl).

3. Механическая смесь фаз, которые не растворяются друг в друге, каждая сохраняет свой тип элементарной ячейки (кристаллической решетки). Условие образования: строго постоянные температура и химический состав стали в критических точках С (1147 °С, 4,3% С) и S (727 °С,

Механическая смесь всегда структура, так как в ее состав могут входить две и более фаз. При температуре 20 оС перлит и ледебурит являются механической смесью феррита и цементита (см. приложение А).

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Цель работы: Изучить взаимосвязь внутреннего строения с механическими свойствами и химическим составом углеродистых сталей.

Основные понятия.

Характеристика фаз и структурных составляющих железо породистых сплавов.

Сплавы железа с углеродом распространены в промышленности весьма широко. Главные из них - сталь и чугун. Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода не более 2,14 %, называют сталями, свыше 2,14 % - чугунами.

Диаграмма состояния позволяет проследить за процессами, происходящими в сплавах при нагревании и охлаждении, определить сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, установить режимы термической и химико-термической обработки, указать, какую структуру будут иметь сплавы в равновесном состоянии(медленно охлажденные), по микроструктуре рассчитать химический состав сплава.

Чтобы понять диаграмму необходимо в первую очередь познакомиться со строением и свойствами исходных компонентов, а так же фаз и структур составляющих данную систему.

Железо - металл серебристо-серого цвета, пластичен, с удельным весом 7,8 г/см³,температура плавления 1539° С. На практике техническое железо содержит до 0,1% примесей, таких как С, Mn, Si, Р, S, О, N, Н и др.

Углерод - неметаллический элемент, с удельным весом 2,5 г/см 3 , температурой плавления - 3500 °С. Имеет три аллотропические модификации: алмаза, графита и угля.

Чаще всего в сплавах углерод растворяется в Feα и Feγ, образуя твердые растворы внедрения, а также образует химическое соединение Fe3С - цементит.

В системе железо-цементит различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А), а также цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе (Feα). Имеет ОЦК решетку. При травлении 5 процентным раствором HNО₃ в этиловом спирте феррит не окрашивается и под микроскопом просматривается в виде светлых равновесных, почти округлой формы зерен (рис. I, а). Максимальная растворимость углерода в феррите при комнатной температуре равна 0,008%, а при 727°С - 0,02%. Феррит имеет низкую твердость и прочность, но вязок и пластичен.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе (Feγ) (рис 1, б). Имеет ГЦК решетку. Растворимость углерода в Feγ - зависит от температуры. Максимальная растворимость углерода равна 2,14% при температуре 1147 °С. Ниже 727°С аустенит превращается в другие, более устойчивые структуры.

Цементит (Fe₃С)-карбид железа, содержит 6,67 % С, имеет орторомбическую кристаллическую решетку, обладает магнитными свойствами, тепло- и электропроводностью. Обычным травителем цементит не окрашивается (рис 1, д). Различают цементит первичный (Ц₁), который выделяется из жидкого сплава, цементит вторичный (Ц₂), выделяющийся из аустенита и цементит третичный (Ц₃), выделяющийся из феррита. Все они являются одной фазой, образуются из-за снижения растворимости углерода в твердой фазе, имеют один и тот же состав, строение и свойства. Цементит тверд, прочен и хрупок.

Перлит - это эвтектоидная механическая смесь двух фаз: феррита и цементита образуется при распаде аустенита с концентрацией углерода 0,8% при температуре 727° С. Под микроскопом просматривается в виде темных зерен с прожилками (рис 1, в, г, д).

Значение точек и линий диаграммы Fe - Fe ₃С

Каждая точка диаграммы (рис. 2) состояния сплава характеризует строго определенные явления при соответствующей температуре.

Точка А - 1539 °С - температура плавления железа.

С - 1147 °С - образование - распад эвтектики ледебурита(4,3% )

Д - 1250 °С - температура плавления цементита.

Е - 1147 ° С - предельная растворимость углерода в аустенита (2,14%).

G - 91 1 ° С - аллотропическое превращение Feγ в Feα

S - 727 °С - образование - распад эвтектоида перлита (0,8 %).

Линия АСД - линия ликвидус, выше этой линии все сплавы в жидком состоянии. На ней при охлаждении начинается первичная кристаллизация сплавов.

Линия АЕСF- линия солидус, ниже этой линии все сплавы в твердом состоянии, на ней при охлаждении заканчивается первичная кристаллизация сплавов

Линия ECF показывает температуру эвтектического превращения в сплавах. Первичная кристаллизация - процесс выделения из жидкой фазы кристаллов твердой фазы.

Линия GSE - показывает температуру начала вторичной кристаллизации. Вторичная кристаллизация (перекристаллизация) - процесс превращения в твердом состоянии и сплавах.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на три группы:

1) Доэвтектоидные, содержащие от 0,008% до 0,8 % углерода. Структура при комнатной температуре состоит из феррита - светлые зерна и перлита - темные зерна (рис I, в), количество перлита изменяется пропорционально содержанию углерода.

2) Эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода. Структура при комнатной температуре состоит т из чередующихся пластинок феррита и цементита. Такая структура называется пластинчатым перлитом (рис 1, г).

3) Заэвтектоидные, содержащие углерода от 0,8% до 2,14%. Структура этих сталей при комнатной температуре состоит из перлита и цементита в виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис. 1, д).

4)Техническое железо имеет структуру феррита (рис. 1, а).

Превращения доэвтектоидной стали.

Железо при различных температурах имеет различное кристаллическое строение.

Это явление называют аллотропией или полиморфизмом. Переход из одной кристаллической формы в другую в железе показан на кривой охлаждения (рис. 3).

Выше линии ликвидус (рис. 2) сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении в точке 1 начинается, а в точке 2 заканчивается первичная кристаллизация по реакции (Ж t°1-t°2 А). Здесь и в дальнейшем в реакции показано, какая фаза в какую превращается (Ж→А) и в каком температурном интервале это превращение происходит (t°l- t°2), как изменяются составы фаз в процессе кристаллизации (1-1').

От точки 2 до точки 3 происходит охлаждение аустенита без прекращений. В точке 3 начинается, а на линии PC заканчивается вторичная кристаллизация аустенита по реакции (А t°3-t°4 Ф), то есть из аустенита выделяются кристаллы феррита. Количество углерода в аустените увеличивается до 0,8% по отрезку (3-S). Так как при вторичной кристаллизации из аустенита выделяется практически чистое железо, в меньшем объеме аустенита концентрируется весь углерод стали. Достигнув при Ts эвтектоидной концентрации, аустенит окончательно распадается на эвтектоидную смесь феррита с цементитом - перлит по реакции (АtsП). При дальнейшем охлаждении стали до комнатной температуры растворимость углерода в феррите понижается по отрезку (4-Q) и из него выделяется цементит по реакции (Фts-0Ц3), называемый третичным. Окончательная структура стали при комнатной температуре феррит и перлит. Цементит третичный (Цз) структурно не просматривается.

Превращения эвтектоидной и заэвтектоидной сталей.

Первичная кристаллизация эвтектоидной (Х2) и заэвтектоидной стали (ХЗ) (рис.2) происходит аналогично доэвтектоидной. Вторичная кристаллизация звтоктоидной стали (Х₂) происходит при температуре t =727 °С полным распадом аустенита по реакции (АtsП).

Методика эксперимента

Устройство микроскопа, приемы настройки па резкость изображения и различное увеличение описаны в лабораторной работе

Определение структурных составляющих и их количественного соотношения.

Наблюдая под микроскопом структуру стали, необходимо сравнить ее визуально с фотографиями микроструктур из атласа и определить фазы и структурные составляющие (феррит, цементит и перлит) в каждой стали по их металлографическим признакам. Здесь же определить её структурную принадлежность к доэвтектоидной стали, эвтектоидной или заэвтектоидной стали.

Приблизительно (по соотношению площадей фаз в зоне наблюдения) определить количество феррита с перлитом в доэвтектоидной и перлита с избыточным цементитом в заэвтектоидной стали в процентах Количество избыточного цементита в заэвтектоидной стали обычно колеблется в пределах 1-10.

Определение количества углерода и марки стали по структуре.

Любая сталь состоит из двух фаз феррита и цементита в феррите содержится ничтожное количество углерода, поэтому им пренебрегают. Известно, что в перлите связанный цемент занимает 12% или 0,12 объёма (площади), а в цементите содержится 6,67 % углерода Таким образом, в перлите количество углерода равно:

Сп = (0.12 * 6 67)Fn /100 =0.8%. (1)

Структура доэвтектоидной стали отличается только количеством перлита, поэтому количество углерода в них определяется по уравнению:

Сэвт = (0.12 * 6.67)Fn /100, %, (2)

где Fn - площадь, замятая перлитом, %

Заэвтектоидиая сталь состоит из перлита и избыточного цементита , поэтому количество углерода в ней определяется по уравнению *

Сзаэвт. = ((0.12 * 6.67)Fn + 6 67*Fu)/100, %, (3)

где F_ц - площадь, занятая избыточным цементитом. По подсчитанному количеству углерода определяют марку стали по ГОС Т 1050 - 88 (табл. 1) и ГОСТ 1453 - 74 (табл. 2).

Определение механических свойств стали.

Определение твердости по Бринеллю производится по ГОСТ 9012-59 на твердомере TT.U закаленным шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 30000 Н. Отпечаток выполнен на противоположной от поверхности шлифа стороне образца.

После выполнения микроанализа студенты измеряют диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях на каждом образце с помощью микроскопа МБС-1 с точностью до 0,05 мм При измерении каждого диаметра отпечатка нужно строго следить за резкостью изображения края отпечатка и расположением шкалы микроскопа точно по его диаметру.

По усредненным величинам диаметров отпечатков в таблице 3 находится соответствующее значение твердости НВ.

Числа твердости полученные при нагрузке 30000 Н и ширине диаметром 10 мм. Между пределом прочности (МПа) и числом твердости НВ для стали существует зависимость 3.5 НВ.

Определив количество углерода, марку стали по нему, её твердость НВ и предел прочности по таблице 1 из ГОСТ 1050-74 можно найти относительное удлинение, характеризующее пластичность этой марки стали.

Совокупность характеристик прочности, твёрдости, и пластичности стали определяет область применения материала и эксплуатационные характеристики детали.

Пример оформления методической разработки: Методическая разработка - разновидность учебно-методического издания в помощь.

Средневековье: основные этапы и закономерности развития: Эпоху Античности в Европе сменяет Средневековье. С чем связано.

Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов.

Фазовые и структурные компоненты стали и белого чугуна. Основными компонентами, из которых состоят сталь и чугун, являются железо и углерод.

Система железо-цементит имеет следующие фазы: 1.Жидкая фаза, 2. Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в 3-Fe. 3.Цементит-Fe3C карбид железа. 4.

Структурные составляющие железоуглеродистых схеме:1.Феррит (имя введено Хоу).Так как С содержится в твердом растворе всего 0,00001-0. 000001%, область его присутствия очень узкая (узкая). Максимальная растворимость составляет около 0,02% (723 C, точка P). 2.Перлит. ± — Эвтектоид, состоящий из твердого раствора и Fe3C (ниже точки S). Тонкая смесь обеих фаз.

Название перлита (также предложенное Хаоу) связано с жемчужным блеском. Эвтектоидное разложение 3-твердого раствора, образующегося при непрерывном охлаждении при температуре 723°c, связано с высвобождением тонкой параллельной цементитной пластины при непрерывном охлаждении.

Образуется пластинчатый перлит. 25. 3.Ридбрайт. Назван в честь Ледебура. 3-смесь твердого раствора и цементита. Эвтектика (Точка С, 4,3%С). Сплав, который содержит 2096-6. 67% C и содержит свет ковша внутри структура, белое литое железо. Также можно указать: восстанавливаемый I (3-твердый раствор и Fe3C)и восстанавливаемый II (перлит и Fe3C). Форма присутствия цементита: — когда содержание с превышает 0,00001%, выделяется третичный цементит.

Медленно охлаждая, процесс идет вдоль линии PQ. При быстром охлаждении часть углерода остается в твердом растворе, а выделение третичного раствора подавляется. Форма-пластинки и жилки, иглы из ферритовых зерен. — Цементирующий перлит. Это уже наблюдалось при содержании углерода более 0,02%. Тонкая пластинка из зерен цементита. — Вторичный цементный;

При охлаждении эволюция происходит по линии ES. Форма: цементирующая сетка, цементирующая вдоль границы зерен. — Цементировал ледебрайт. Содержание углерода превышает 2.06% — до цементита эвтектоида и гипер-эвтектоидных сплавов. — Первичный цементный; 4,3%C; в общем случае он появляется, когда высокоуглеродистый сплав очень быстро охлаждается до комнатной температуры. Форма: длинная большая пластина.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов.

Фазовые и структурные компоненты стали и белого чугуна. Основными компонентами, из которых состоят сталь и чугун, являются железо и углерод.

Образуется пластинчатый перлит. 25. 3.Ридбрайт. Назван в честь Ледебура. 3-смесь твердого раствора и цементита. Эвтектика (Точка С, 4,3%С). Сплав, который содержит 2096-6. 67% C и содержит свет ковша внутри структура, белое литое железо. Также можно указать: восстанавливаемый I (3-твердый раствор и Fe3C)и восстанавливаемый II (перлит и Fe3C). Форма присутствия цементита: — когда содержание с превышает 0,00001%, выделяется третичный цементит.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: