Микроструктура углеродистых сталей

На диаграмме состояния железо-углерод (рис 1) сплавы, отно­сящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14%, т.е. левее точки Е. При температуре ниже 727°С все отож­женные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цемен­тита. Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в α-Fe с объёмно-центрированной кубической решеткой. Максимальная раствори­мость углерода в α-Fe составляет около 0,02% (точка Р). Цементит - это карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67%С.

При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Предельная растворимость углерода в γ-Fe – 2,14 %С (т. Е)

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при ма­лых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цемент.

На линии GS из аустенита начинает выделяться избыточный фер­рит, а на линии SE - вторичный цементит. На линии РQ из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727° аустенит состава эвтектоидной точки С (0,8%С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом, причем цементит может быть в виде пластинок или зерен (рис.4 приложения).

Сталь, содержащую 0,8%С, называют эвтектоидной. Стали, содер­жащие менее

0,8%С, называют доэвтектоидными, а более 0,8%С - заэвтектоидными. В доэвтектоидной стали первой структурой диффузионного прев­ращения аустенита при охлаждении являются зерно феррита. Их размер в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскоп феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (рис.1 приложения). По мере увеличения концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен фер­рита убывает (рис.2 приложения) и увеличивается количество перлита.

В сплавах содержащих С 0,5 ÷ 0,7%, зерна феррита располагают­ся по границам зерен другой структурной составляющей - перлита в виде разорванной сетки (рис. 3 приложения).

В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение; темные пластинки, видимые в перлите, пред­ставляют тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками цементита. Форма выделения перлита в доэвтек­тоидной и заэвтектоидной сталях определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц цементита в перлите существенно вли­яет на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пла­стичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость зернистого перлита НВ = 160 ÷ 220, а пластинчатого НВ = 200 ÷ 250. С уменьшением размера цементных частиц твердость и прочность перлита возрастают. Форма цементитных частиц влияет на обрабатывае­мость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием при структуре пластинчатого перлита, а эвтектоидные и заэвтектоидные - зернистого. Возможно выделение вторичного цементи­та в виде сетки по границам зерен перлита (рис.5 приложения). Оно происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухуд­шающей механические свойства, является образование его в виде игл (следствие значительного перегрева).

Итак, можно выделить четыре типа структур сталей. Первый тип структуры - феррит и третичный цементит, наблюдается в малоуглеро­дистых сталях, содержащих до 0,02 %С (т. Р). Такие стали назы­ваются техническим железом (рис. 1 - приложения).

Второй тип структуры - феррит и перлит - наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержит от 0,02 до 0,8%С (т. S). Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ней перлита (рис. 2, 3 приложения)

Третий тип структура – перлит - наблюдается в эвтектоидной стали, содержащей 0,8 %С (рис.4 приложения).

Четвертый тип структуры - вторичный цементит и перлит - наблюдается в заэвтектоидной стали с содержанием от 0,8 до 2,14 %С (т. Е) (рис.5 приложения).

Отличие доэвтектоидных сталей от заэвтектоидных по микрост­руктуре состоит в следующем.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях имеется одна общая для обоих типов структур составляющая - перлит. Отличить при микро­анализе до- и заэвтектоидные стали друг от друга можно только по избыточным выделениям: если в структуре находится избыточный фер­рит, то сталь доэвтектоидная, а если вторичный цементит, то сталь заэвтектоидная.

Имеются три металлографических способа отличить доэвтектоидные стали от заэвтектоидных.

а) При травлении раствором азотной кислоты избыточные феррит и цементит имеют светлый оттенок. Относительное весовое количество избыточного феррита в доэвтектоидных сталях может измениться от 100% (сталь состава точки Р) до 0% (сталь состава точки S).

В то же время количество вторичного цементита в заэвтектоидных сталях может измениться в узких пределах - от 0% (сталь состава точки S) до 20% (сталь состава точки Е).

Таким образом, если в отожженной стали наряду с темные перли­том обнаруживается светлая составляющая, занимающая более 20% всей площади поля шлифа, видимого в микроскоп, то эта светлая составля­ющая является избыточным ферритом, и сталь, следовательно, - доэвтектоидная.

б) Если относительное количество светлой составляющей меньше 20%, или если при микроанализе трудно произвести количественную оценку, то эта светлая составляющая может оказаться как избыточ­ным ферритом, так и вторичным цементитом. В этом случае следует использовать индикаторный травитель - горячий щелочной раствор пикрата натрия, который окрашивает цементит в тёмно-коричневый цвет, оставляя феррит светлым.

в) Если избыточная фаза занимает менее 20% площади шлифа, протравленного азотной кислотой, то при наличии некоторого опыта можно отличить вторичный цементит от избыточного феррита по форме и оттенку выделений.

Сетка из избыточного феррита после отжига составлена из отде­льных компактных частиц, в то время как вторичный цементит на шли­фе вытянется в виде почти непрерывной сетки. Сетка из вторичного цементита выступает над перлитом в виде рельефа, так как твердый цементит после полировки слегка возвышается над более мягким и сильнее сполировывающимся перлитом. Вторичный цементит может вы­деляться из аустенита также в виде изолированных игл, как по гра­ницам, так и внутри колоний перлита. Наконец, цементит выглядит под микроскопом более светлым, по сравнению с ферритом.

Поиск по сайту: