Залізовуглецеві сплави та їх мікроскопічне дослідження

Мета роботи – вивчити структурні складники вуглецевих сталей в зрівноваженому стані, встановити зв’язок між структурами сталі з діаграмою стану сплавів залізо-цементит, набути практичних навичок дослідження мікроструктури сталей.

1.1. Прилади та матеріали

1. Металографічний мікроскоп.

2. Зразки (шліфи) сталі для вивчення мікроструктури.

3. Марки, хімічний склад, механічні властивості технічного заліза та вуглецевих сталей за державними стандартами.

4. Атлас мікроструктур.

1.2. Порядок виконання роботи

1. Вивчити мікроструктуру технічного заліза (залізо Армко), сталей Сталь 10, Сталь 45, У8, У12.

2. Зарисувати та описати мікроструктуру сталей.

3. Визначити з допомогою металографічного мікроскопу та персонального комп’ютера масову частку вуглецю в доевтектоїдній та в заевтектоїдній сталі за мікроструктурою (приблизно).

4. Ознайомитися з марками, класифікацією, хімічним складом та призначенням вуглецевих сталей за державними стандартами.

5. Оформити результати дослідів та скласти протокол.

1.3. Загальні відомості

Серед металевих матеріалів у машинобудуванні найбільш широко використовуються сплави заліза з вуглецем – сталі та чавуни (90 % від загальної кількості матеріалів). Визначити структури цих сплавів у стані рівноваги, температури фазових перетворень, вибрати температуру термічної обробки дозволяє метастабільна діаграма стану “залізо-цементит” (Fe-Fе₃С) та стабільна діаграма стану “залізо-вуглець” (Fe-C).

1.3.1. Компоненти, фази та структурні складові залізовуглецевих сплавів

Компоненти – хімічні елементи, що утворюють сплав – залізо та вуглець.

Залізо – метал з температурою плавлення 1539°С. Атомний радіус 0,127 нм. Залізо поліморфне. Нижче 911°С та в інтервалі 1392...1539°С має ОЦК гратку з параметром 0,286 нм. При 20°С заповнення об'єму гратки атомами на 68%. Низькотемпературна модифікація позначається -Fe, високотемпературна – -Fе. В інтервалі температур 911...1392С існує -Fе з ГЦК граткою, параметри якої 0,3645 нм, заповнення об'єму гратки атомами на 74 %. Між атомами заліза існує металевий тип зв'язку. Нижче 768°С -Fe – феромагнітне, -Fе,  -Fe,  -Fe – парамагнітне.

Залізо характеризується низькими рівнями міцності, твердості та високою пластичністю (_в = 150...200 МПа; НВ 60...70;  = 60%).

Вуглець – неметал з температурою плавлення 3600°С, атомним радіусом – 0,077нм. Має дві модифікації: стабільну – у вигляді графіту та метастабільну – у вигляді алмазу.

В Fe-C сплавах розрізняють фази: рідкий розчин (Р), ферит (Ф),аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – твердий розчин впровадження атомів вуглецю в ОЦК гратці заліза. Розрізняють низькотемпературний -ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,02 % при 727°С та високотемпературний -ферит (0,1%С при 1499°С). Низька розчинність вуглецю у фериті обумовлена малим радіусом порожнин в ОЦК гратці (0,037 нм). Механічні властивості фериту: _в = 200...250 МІІа;  = 40...50 %; НВ 80...90.

Аустеніт - твердий розчин впровадження атомів вуглецю в -Fе ГЦК гратці, радіус міжатомних порожнин дорівнює 0,052 нм. Цим обумовлена підвищена, в порівнянні з феритом, розчинність вуглецю в аустеніті – 2,14 % при 1147 °С. Аустеніт має наступні механічні властивості: _в = 50...60 %; НВ 160...200. Фаза в'язка, парамагнітна.

Тверді розчини впровадження, крім вуглецю, можуть утворювати азот і водень (атомні радіуси 0,072 нм та 0,0056 нм. відповідно), частково бор, а тверді розчини заміщення – кремній, марганець, хром, нікель, молібден, вольфрам тощо.

Цементит – хімічна сполука Fе₃С, яка містить 6,67 %С. Гратка – складна ромбічна, характеризується металевим та іонним зв'язком між атомами вуглецю та заліза. Тому цементит має високу твердість (НВ800), крихкість і практично нульову пластичність. Цементит – метастабільна фаза і у високовуглецевих сплавах (>2,14 %С) при дуже повільному охолодженні замість нього може утворюватися графіт.

Графіт – стабільна модифікація вуглецю, має складну гексагональну кристалічну гратку. Відстань між атомами в одному шарі складає 0,1415 нм, між шарами – значно більше – 0,34 нм. У першому випадку зв'язок реалізується за рахунок ковалентних сил, у другому – за рахунок слабких Ван-дер-ваальсовських. Густина графіту 2,26 г/см³. Твердість 3...5 НВ, значна крихкість, пластичність практично відсутня.

Ферит, аустеніт, цементит можуть існувати у сплавах в структурновільному стані або входити до складу ледебуриту чи перліту.

Ледебурит – евтектична фазова суміш цементиту та аустеніту в інтервалі температур 1147...727 °С, перліту і цементиту – при температурах нижче 727°С. Середній вміст вуглецю в ледебуриті 4,3 %. Ледебурит утворюється в залізовуглецевих сплавах, які містять більше 2,14 %С. Ледебурит містить 64 % цементиту, тому він твердий (НВ600) та крихкий.

Перліт – евтектоїдна фазова суміш фериту і цементиту, що містить 0,8 %С. Властивості перліту залежать від дисперсності ферито-цементитної суміші та форми цементиту. Грубопластинчастий перліт має властивості: _в = 500...600 МІІА;  = 8...15 %; 160...250 HB. Більш дисперсний перліт має більшу міцність та меншу пластичність.