Характеристика структурных составляющих сплавов в равновесном состоянии.

Под равновесным состоянием сплава понимается такое его состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились. Основой для определения фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма железо-цементит (рис. 5).

Структурные составляющие углеродистой стали после ее полного отжига.

Феррит (Ф) – твёрдый раствор углерода в альфа железе. Является продуктом диффузного превращения аустенита при охлаждении его ниже температур, соответствующих GS.

Зёрна феррита образуются первыми, и их размер в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскопе феррит наблюдается в виде светлых зёрен неодинаковой яркости.

Растворимость углерода в феррите достигает 0,025% и изменяется с изменением температуры. Феррит является пластичной составляющей структуры; его относительное удлинение d-50%.

Твёрдость феррита (HB = 60-160) зависит от концентрации в нём углерода и других растворенных элементов, от величины зёрен, убывая с возрастанием последних.

Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в g-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твёрдость HB 160-200 и весьма пластичен (d = 40-50%).

Жидкая фаза (ЖФ) – существует выше линии ликвидуса. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу. В дальнейшем будут приняты сокращенные обозначения фаз: феррит – Ф, аустенит – А, цементит – Ц, жидкая фаза – Ж.

Цементит (Fe₃С) – химическое соединение углерода с железом, или карбид железа. При рассмотрении под микроскопом он наблюдается в различных геометрических формах в виде пластин, мелких зёрен и других структурных составляющих – перлита или феррита.

Цементит травится реактивами медленнее, чем феррит, поэтому он как бы возвышается над последним и при рассмотрении под микроскопом кажется более светлым. Отличить цементит от феррита в сомнительных случаях можно путём травления шлифа пикратом натрия, который окрашивает цементит в тёмный цвет. Цементит – самая твёрдая составляющая (HB>800). Пластичность его ничтожно мала практически равна нулю. Поэтому с возрастанием цементита в структуре стали, что наблюдается при увеличении концентрации в ней углерода, твёрдость стали повышается, а пластичность падает.

Перлит (П) – эвтектоид, механическая смесь из цементита и феррита, образовавшегося при распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего.

При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, отшлифовываются меньше и поэтому выступают из основной массы перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливает при косом травлении. Поэтому, рассматривая перлит под микроскопом при косом освещении, можно заметить чередующиеся между собой темные и светлые полоски. В зависимости от формы цементита различают:

а) Пластичный перлит, в котором цементит и феррит имеют пластины;

б) Зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зёрен, расположенных в феррите.

Границы зёрен и пластин наблюдаются в виде темных линий, которые образуются тенью от выступающих цементитных частиц.

Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен, но имеет меньшую твёрдость, чем пластинчатый. Твёрдость зернистого перлита HB 160-220, а пластинчатого HB 300-250. Если размер цементитных частиц очень мал, то перлит в обычном металломикроскопе наблюдается в виде темных зерен, на которых нельзя заметить ни пластин, ни зерен цементита.

Структура углеродистой стали, после ее полного отжига, представляет собой совокупность рассмотренных выше структурных составляющих и должна соответствовать диаграмме железо-цементит.

Структура в отожженных доэвтэктоидных сталях (содержание углерода до 0,8%) представляет собой феррит и перлит. При рассмотрении под микроскопом зёрна феррита кажутся светлыми, а зерна перлита – темными.

С увеличением содержания углерода количество зёрен перлита увеличивается. С возрастанием перлитной составляющей в структуре доэвтектиодной стали повышаются ее твердость и предел прочности, а пластичность уменьшается.

Отожженные эвтектоидные стали (содержание углерода 0,8%) полностью состоят из одной структурной составляющей – перлита (пластинчатого или зернистого). Твёрдость и предел прочности эвтектоидной стали выше, чем доэвтектоидной, пластинчатость ниже. Структура отожженных заэвтектоидных сталей представляет собой перлит + вторичный цементит. Последний, в зависимости от режима термической обработки, наблюдается в виде светлых небольших по величине зерен либо в виде светлой сетки по границам зерен перлита. Строение и свойства перлита в заэвтектоидной стали аналогичны эвтектоидной стали.

Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит имеет твердость HB 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, а смесь перлита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные металлические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды, соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например, фосфидная эвтектика (Fe+ Fe₃, Р+ Fe₃С) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: