Структура и свойства углеродистых сталей (МУ - Структура и свойства углеродистых сталей)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственныйуниверситет путей сообщения»________________________________Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновСтруктура и свойствауглеродистых сталейМетодические указанияк лабораторным работамМосква – 2015Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственныйуниверситет путей сообщения»_______________________________Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновСтруктура и свойства углеродистыхсталейРекомендовано редакционно-издательским советомуниверситета в качестве методических указаний для студентовспециальностей СЖД, СТП, СМТ и СГСМосква – 2015УДК 669.1П–18Парфенов В.Д.

Структура и свойства углеродистых сталей: Методические указания. – М.: МГУПС (МИИТ). 2015. – 38 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, СТП, СМТ и СГС).© МГУПС (МИИТ), 2015СодержаниеВведение1. Микроскопический анализ металлов и сплавов………..52. Структура стали в равновесном состоянии……………...63.

Механические свойства стали……………………………163.1. Методы определения твёрдости сталей…………….163.2. Влияние углерода на свойства стали……………….214. Задания для студентов и порядок выполнениялабораторной работы……………………………………..285. Контрольные вопросы и задачи………………………….34Список литературы……………………………………………383ВведениеОдним из важнейших и широко применяемых строительных материалов в транспортном, гражданском и промышленном строительстве являются стали. Студентам необходимо знатьи уметь использовать основные механические и технологические свойства сталей, которые в значительной мере определяются его структурой.В настоящей работе студенты на основе анализа диаграммы состояния «железо – цементит (Fe – FeC) исследуют фазы, структурные составляющие, микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной углеродистой стали, изучают механические свойства стали – статическую прочность,твёрдость, пластичность и ударную вязкость – ,устанавливаютсвязь между содержанием, структурой углерода и механическими свойствами стали.В процессе лабораторной работы студенты вырабатывают навыки анализа фазового и структурного составов стали, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии ипоследовательности фазовых превращений в сталях.Данные методические указания к лабораторным работапомогут будущим инженерам строительных специальностей,изучающим дисциплину «Материаловедение.

Технология конструкционных материалов» получить более глубокое представление о структуре и механических свойствах сталей.41. Микроскопический анализ металлов и сплавовМикроскопический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании микроструктуры и пороков сталей с помощью оптического или электронного микроскопаС помощью микроанализа можно определить количество, форму, размеры отдельных фаз, их взаимное расположение, имеющиеся включения, микродефекты, следовательно, судить о свойствах металлов и сплавов.Исследованию подвергаются микрошлифы, приготовленные определённым способом.Микроскопический анализ состоит из следующих этапов:а) приготовления шлифов, б) травления шлифов, в) исследования микроструктуры металлов и сплавов.Микрошлифом называют небольшой образец металла,имеющий особо приготовленную поверхность для микроанализа.После соответствующей шлифовки и полировки образцыподвергают травлению определённым химическим реактивомдля выявления микроструктуры сплава.Микроскопическое исследование приготовленных указанным способом шлифов осуществляется с помощью металлографического микроскопа, который в отличие от биологическогопозволяет рассматривать прозрачные тела в отражённом свете.52.

Структура сталей в равновесном состоянииСталями называют железоуглеродистые стали с содержанием углерода до 2.14%.Основой для определения структурных составляющихжелезоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии являетсядиаграмма состояния системы «железо – цементит» (Fe –Fe3C) (рис. 1 и 2).Под равновесным состоянием сплава понимается такоесостояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностьюзакончились в соответствии с диаграммой состояния.

Оно достигается при очень медленном охлаждении, со скоростью 1002000 С в час,т.е при охлаждении вместе с печью.Структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, цементит и перлит. Простые структурные составляющие сталей: феррит, аустенит и цементит – являются в то жевремя их фазами.Железо известно в двух полиморфных модификациях: ввиде α – 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 углерода в феррите составляет 0,02% при температуре7270С, а при комнатной температуре – 0,006%.6Рис.

1. Цементитная диаграмма железоуглеродистых сталей7Рис. 2. Область сталей цементитной диаграммыс распределением фаз (а) и структурных составляющих (б)8Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в γFe. Имеет ГЦК-pешётку. Максимальная растворимость в нём углерода составляет 2,14% при температуре 11470С, при 7270С –0,8%. Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит.Цементит (Ц) – сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа Fe3C, с содержанием углерода 6,67%. Имеет сложную ромбическую решётку. Цементиточень твёрд (НВ 800) и хрупок (αн = 0).Перлит (П) – сложная структурная составляющая, продуктраспада аустенита с содержанием углерода 0,8%, представляющая собой дисперсную эвтектоидную смесь кристалловферрита и цементита.

По своей структуре ( равномерное распределение одной фазы в другой) перлит напоминает эвтектику, но в отличие от эвтектики, образующейся при затвердеваниижидкости, перлит получается при распаде твёрдого раствора ипоэтому называется эвтектоидом.Все точки и линии цементитной диаграммы в областисталей имеют следующие обозначения и физический смысл.Линия GS – геометрическое место критических точекначала образования феррита вследствие перекристаллизации γFe в α-Fe.Линия GP характеризует температуры конца превращения аустенита в феррит.9В соответствии с линиями GS и GP изменяется составаустенита и феррита при изменении температуры сплава.Линия PSK – линия перлитовых превращений, представляющая собой геометрическое место точек распада аустенита собразованием перлита.Точка E показывает максимально возможное содержание углерода в γ-Fe.Линия SE характеризует предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры.Точка Р показывает максимально возможное содержание углерода в α-Fe.Точка Q показывает содержание углерода в α-Fe прикомнатной температуре (0,006%).Линия PQ характеризует предельную растворимость углерода в феррите в зависимости от температуры.Линия GPQ показывает изменение растворимости углерода с 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%,10то при охлаждении в интервале температур между линиями GSи GP происходит перекристаллизация аустенита в феррит.

Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры.При содержании углерода более 0,006%, после образования феррита, начиная с температуры на линии PQ, происходитвыделение из феррита кристаллов цементита, который получилназвание третичного цементита (рис.3). Этот процесс вызвануменьшением растворимости углерода в феррите по линии PQ.Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причём цементит располагается в виде прослоек пограницам ферритных зёрен (рис.4а).

Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность железа и его магнитныесвойства.Третичный цементит присутствует при комнатных температурах во всех железоуглеродистых сплавах, содержащихболее 0,006% углерода. Однако его роль в формированиисвойств в сплавах с содержанием углерода более 0,02% невелика, так как в таких сплавах есть цементит в большем количестве,выделившийся при других фазовых превращениях, поэтому прирассмотрении структуры таких сплавов о третичном цементитене упоминают.По микроструктуре стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.1. Доэвтектоидные – стали с содержанием углерода до0,8%.

Они имеют ферритно-перлитовую структуру (Рис. 4б и 5а).11Рис.3. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращениеПри 9100 С γ-модификация железа (γ-Fe) должна переходить в α-модификацию железа (α-Fe), однако наличие углеродав кристаллической решётке γ-Fe расширяет область её устойчивости и аустенит сохраняется при температурах ниже 9100 С.Наименьшая температура, при которой в условиях медленного охлаждения ещё сохраняется аустенит, равна 7270 С.При этом в аустените содержится 0,8% углерода.12При дальнейшем охлаждении происходит распад твёрдого раствора с образованием феррита и цементита. Продукт распада аустенита, содержащего 0,8% углерода называется перлитом и представляет собой равномерную дисперсную смесь феррита с цементитом.При охлаждении доэвтектоидных сталей распад аустенита начинается с частичной перекристаллизации γ-Fe в α-Fe с образованием феррита, т.е.

образующаяся α-Fe сохраняет в своейкристаллической решётке не более 0,02% углерода (максимальная растворимость углерода в α-Fe).Чем больше углерода содержит аустенит, тем при болеенизкой температуре начинаются эти превращения при охлаждении доэвтектоидных сталей. За счёт образования ферритаоставшийся аустенит обогащаются углеродом, и его состав помере понижения температуры изменяется по лини GS. При температуре 7270 С аустенит содержит 0,8% углерода и при дальнейшем охлаждении распадается образуя перлит.(7270При температуре ниже линии перлитовых превращенийС) доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита.2. Эвтектоидные стали содержат 0,8% углерода и имеют перлитовую структуру.