Структура и механические свойства стали (МУ - Структура и механические свойства стали)

МИИТмосковский государственный университетпутей сообщения (миит)Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновСтруктура и механическиесвойства сталиметодические указанияк лабораторным работамМосква – 2010московский государственный университетпутей сообщения (миит)Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновСтруктура и механические свойствасталиРекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов строительных специальностей СЖД, МТ и СГСМосква – 2010УДК 669.1П–18Парфенов В.Д. Структура и механические свойства стали:Методические указания.

– М.: МИИТ, 2010. – 36 с.В методических указаниях рассматриваются типичные равновесные структуры углеродистых сталей на основе анализа диаграммы,состояния «железо – цементит». Исследуются фазы и структурныесоставляющие сталей, а также превращения, происходящие в них приохлаждении. Описывается влияние углерода на прочность, твёрдость,пластичность и ударную вязкость сталей. Студенты экспериментальноустанавливают зависимость структуры и механических свойств сталиот содержания углерода.Методические указания предназначены для лабораторных занятий по разделу «Металлические материалы в строительстве» и разработаны в соответствии с планом и программой по дисциплине «Материаловедение.

Технология конструкционных материалов» для студентов строительных специальностей (СЖД, МТ и СГС).©Московский государственный университетпутей сообщения (МИИТ), 2010Подписано к печати–Усл.-печ.–Формат 60х84х1/16Тираж 100 экз.Изд. № 47-10Заказ №127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9. Типография МИИТаСодержаниеВведение1. Микроскопический анализ металлов и сплавов……………...42. Структура стали в равновесном состоянии…………………..53.

Механические свойства стали……………………………….153.1. Методы определения твёрдости сталей………………...153.2. Влияние углерода на свойства стали…………………...204. Задания для студентов и порядок выполнениялабораторной работы………………………………………...265. Контрольные вопросы и задачи……………………………...31Список литературы……………………………………………….363ВведениеОдним из важнейших и широко применяемых строительныхматериалов в транспортном, гражданском и промышленном строительстве являются стали. Студентам необходимо знать и уметь использовать основные механические и технологические свойства сталей, которые в значительной мере определяются его структурой.В настоящей работе студенты на основе анализа диаграммысостояния «железо – цементит (Fe – FeC) исследуют фазы,структурныесоставляющие, микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной углеродистой стали, изучают механические свойства стали– статическую прочность, твёрдость, пластичность и ударную вязкость– ,устанавливают связь между содержанием, структурой углерода имеханическими свойствами стали.В процессе лабораторной работы студенты вырабатываютнавыки анализа фазового и структурного составов стали, характеравзаимодействия компонентов в твёрдом состоянии и последовательности фазовых превращений в сталях.Данные методические указания к лабораторным работа помогут будущим инженерам строительных специальностей, изучающимдисциплину «Материаловедение.

Технология конструкционных материалов» получить более глубокое представление о структуре и механических свойствах сталей.1. Микроскопический анализ металлов и сплавовМикроскопический анализ металлов и сплавов заключается висследовании микроструктуры и пороков сталей с помощью оптического или электронного микроскопа.4С помощью микроанализа можно определить количество,форму, размеры отдельных фаз, их взаимное расположение , имеющиеся включения ,микродефекты, следовательно, судить о свойствахметаллов и сплавов.Исследованию подвергаются микрошлифы, приготовленныеопределённым способом.Микроскопический анализ состоит из следующих этапов:а) приготовления шлифов, б) травления шлифов, в) исследованиямикроструктуры металлов и сплавов.Микрошлифом называют небольшой образец металла, имеющий особо приготовленную поверхность для микроанализа.После соответствующей шлифовки и полировки образцы подвергают травлению определённым химическим реактивом для выявления микроструктуры сплава.Микроскопическое исследование приготовленных указаннымспособом шлифов осуществляется с помощью металлографическогомикроскопа, который в отличие от биологического позволяет рассматривать прозрачные тела в отражённом свете.2.

Структура сталей в равновесном состоянииСталями называют железоуглеродистые стали с содержаниемуглерода до 2.14%.Основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграммасостояния системы «железо – цементит»( Fe – Fe3C)(рис. 1 и 2).5Рис. 1. Цементитная диаграмма железоуглеродистых сталей6Рис. 2. Область сталей цементитной диаграммыс распределением фаз (а) и структурных составляющих (б)7Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния.

Оно достигается приочень медленном охлаждении, со скоростью 100-2000 С в час,т.е при охлаждении вместе с печью.Структурными составляющими сталей являются феррит,аустенит, цементит и перлит. Простые структурные составляющиесталей: феррит, аустенит и цементит – являются в то же время их фазами.Железо известно в двух полиморфных модификациях: в видеα – модификации железа (α-Fe) и γ – модификации железа (γ-Fe).Феррит (Ф) – это твёрдый раствор внедрения углеродав α-модификации железа. Он имеет ОЦК-кристаллическую решётку,растворимость в которой мала. Предельная концентрация углеродав феррите составляет 0,02% при температуре 7270С, а при комнатнойтемпературе – 0,006%.Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-Fe.Имеет ГЦК-pешётку.

Максимальная растворимость в нём углеродасоставляет 2,14% при температуре 11470С, при 7270С – 0,8%. Аустенитпластичен, но более прочен, чем феррит.Цементит (Ц) – сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа Fe3C, с содержанием углерода 6,67%.Имеет сложную ромбическую решётку. Цементит очень твёрд(НВ 800) и хрупок (αн = 0).8Перлит (П) – сложная структурная составляющая, продукт распада аустенита с содержанием углерода 0,8%, представляющая собойдисперсную эвтектоидную смесь кристаллов феррита и цементита.По своей структуре ( равномерное распределение одной фазы в другой) перлит напоминает эвтектику, но в отличие от эвтектики, образующейся при затвердевании жидкости, перлит получается при распаде твёрдого раствора и поэтому называется эвтектоидом.Все точки и линии цементитной диаграммы в области сталейимеют следующие обозначения и физический смысл.Линия GS – геометрическое место критических точек началаобразования феррита вследствие перекристаллизации γ-Fe в α-Fe.акЛиния GP характеризует температуры конца превращенияаустенита в феррит.В соответствии с линиями GS и GP изменяется состав аустенита и феррита при изменении температуры сплава.Линия PSK – линия перлитовых превращений, представляющая собой геометрическое место точек распада аустенита с образованием перлита.Точка E показывает максимально возможное содержание углерода в γ-FeЛиния SE характеризует предельную растворимость углерода ваустените в зависимости от температуры.Точка Р показывает максимально возможное содержание углерода в α-Fe.9Точка Q показывает содержание углерода в α-Fe при комнатной температуре.

(0,006%).Линия PQ характеризует предельную растворимость углеродав феррите в зависимости от температуры.Линия GPQ показывает изменение растворимости углеродас понижением температуры.Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 0,02% углерода(с общим количеством примесей до 0,2%) называют техническим железом.Если углерода в техническом железе меньше 0,006% , то приохлаждении в интервале температур между линиями GS и GP происходит перекристаллизация аустенита в феррит.

Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры.При содержании углерода более 0,006%, после образованияферрита, начиная с температуры на линии PQ, происходит выделениеиз феррита кристаллов цементита, который получил название третичного цементита (рис.3). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите по линии PQ. Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причём цементитрасполагается в виде прослоек по границам ферритных зёрен (рис.4а).Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность железаи его магнитные свойства.Третичный цементит присутствует при комнатных температурах вовсех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,006% углерода.

Однако его роль в формировании свойств в сплавах с содержанием углерода более 0,02% невелика, так как в таких сплавах10есть цементит в большем количестве, выделившийся при других фазовых превращениях, поэтому при рассмотрении структуры такихсплавов о третичном цементите не упоминают.Рис.3. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращениеПо микроструктуре стали подразделяют на доэвтектоидные,эвтектоидные и заэвтектоидные.1.

Доэвтектоидные – это стали с содержанием углерода до0,8%. Они имеют ферритно-перлитовую структуру (Рис. 4б и 5а).11При 9100 С γ-модификация железа (γ-Fe) должна переходитьв α-модификацию железа (α-Fe), однако наличие углерода в кристаллической решётке γ-Fe расширяет область её устойчивости и аустенитсохраняется при температурах ниже 9100 С.Наименьшая температура, при которой в условиях медленногоохлаждения ещё сохраняется аустенит, равна 7270 С.