Микроструктура медленно охлажденных углеродистых сталей

Кроме углерода в сталях присутствуют другие элементы в виде примесей или специальных присадок (легирующие элементы). Примеси попадают в сталь в процессе ее производства. Некоторые примеси, в первую очередь сера и фосфор, ухудшают свойства стали и называются «вредными»; их содержание определяет качество стали. Легирующие элементы (кремний и марганец в количестве более 0,3%, хром, никель и др.) вводят целенаправленно, изменяя свойства стали.

Стали, не содержащие легирующих элементов, называют углеродистыми.

Углерод сильно влияет на структуру и свойства сталей: с увеличением его содержания повышается их твердость и прочность.

Фазовый состав и структура сталей в равновесном (медленно охлажденном) состоянии зависит от содержания углерода и определяется диаграммой Fe – C (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

- температуру начала и температурный интервал кристаллизации;

- температуры вторичных превращений;

- фазовый состав и характер структуры сплавов в зависимости от их химического состава;

- химический состав сплава по соотношению фазовых и структурных составляющих.

Все буквенные обозначения на диаграмме Fe – C постоянны. Например: линия ABCD – ликвидус; линия AHJECF – солидус.

Фазами диаграммы состояния Fe – C являются:  - феррит (высокотемпературная фаза),феррит, аустенит и цементит.

феррит (в дальнейшем феррит) – твердый раствор внедрения углерода в -железе – имеет ОЦК решетку. Максимальное содержание углерода в феррите достигается при температуре 723º С и составляет 0,02% (точка Р на рис. 4.1). Феррит мягок и пластичен: НВ 80,  = 30%.

Аустенит – твердый раствор внедрения в-железе – имеет ГЦК решетку. Максимальное содержание углерода в аустените достигается при температуре 1147º С и составляет 2,14% (точка Е на рис. 4.1). твердость аустенита находится на уровне НВ 170.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), образование которого наблюдается при 6,67% С. Цементит хрупок и тверд: НВ 800. Цементит, образовавшийся в процессе первичной кристаллизации из расплава, называется первичным - Ц1. Цементит, выделяющийся в процессе охлаждения из аустенита, называется вторичным – Ц2 ; из феррита – третичным – Ц3.

При температуре 723º С во всех сплавах системы Fe - C, содержащих более 0,02% С, (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение: аустенит, содержащий 0,8% С (точка S), превращается в эвтектоид стали – перлит.

Перлит – однородная механическая смесь феррита и цементита. Перлит бывает пластинчатым или зернистым, в зависимости от формы кристаллов цементита. Пластинчатый перлит имеет твердость НВ 240, зернистый – НВ 160.

Рис. 4.2. К определению фазового и структурного

состава доэвтектоидной стали
Таким образом, сталь с 0,6% С после охлаждения до комнатной температуры в качестве структурных составляющих имеет феррит и перлит.

Для стали любого состава по правилу отрезков можно определить:

- фазовый и структурный состав;

- химический состав структурных составляющих;

- процентное соотношение структурных составляющих.

Для примера выберем сталь состава точки «k» (рис. 4.2).

Через точку «k» проведем линию параллельную оси концентраций до пересечения с основными линиями диаграммы в точках m и n. Эти точки указывают нам структурные составляющие стали - феррит и перлит (фазовый состав – феррит и цементит). Если из точек m и n опустить перпендикуляры на ось концентраций, то получим химический состав этих структур: феррит содержит 0,007% С, перлит – 0,8% С.

Объемную долю феррита и перлита определим из соотношения длин отрезков:

% П = ( k m / m n ) · 100; % Ф = ( k n / m n ) · 100.

По соотношению структурных составляющих, оцененных по микрошлифу, можно определить химический состав стали (марку стали). Например, сталь содержит 40% перлита и 60% феррита. Составляем пропорцию:

100% П – 0,8% С

40% П – Х% С.

Из пропорции получаем: Х = (40 · 0,8 ) / 100 = 0,32(%С).

Марка стали – сталь 30.

В зависимости от содержания углерода стали называют: техническим железом или армко-железом (менее 0,03%); малоуглеродистыми (0,03…0,30%); среднеуглеродистыми (0,3…0,7%); высокоуглеродистыми (более 0,7%).

В зависимости от характера структуры стали, называются: доэвтектоидными (структурные составляющие – феррит и перлит; содержание углерода менее 0,8% С); эвтектоиднымими (перлит; 0,8% С); заэвтектоидными (перлит и цементит; более 0,8% С).

По назначению углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. 
   Конструкционные стали (содержание углерода до 0,7%), подразделяющиеся на:
   

1. 
   обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) - маркировка: Ст 0 …. Ст 6 (содержание углерода по ГОСТу);
   

2. Инструментальные стали (содержание углерода более 0,7% С, ГОСТ 1435-90) подразделяются на:

2.1. качественные стали (содержание серы и фосфора менее 0,03%) - маркировка: У7,У10…У13 (содержание углерода указывается в десятых долях процента, т.е. сталь У12 содержит 1,2% С);

2.2. высококачественные стали (содержание серы и фосфора менее 0,01%) – маркировка: У7А…У13А.

2. Познакомиться со структурой углеродистых сталей по диаграмме железо – углерод.