- Определение содержания углерода и марки сталей
- Опыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре.
- Опыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре. Как определить содержание углерода в стали
- Опыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре.
- 25.Дать определение стали и чугунам. Как они маркируются?
- 27.Какие лигирующие элементы добавляют в сталь и как расшифровать их марки. Например: Ст.45хзнча?
- 14. Классификация железо-углеродистых сплавов по структуре (стали, чугуны)
- 15. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали
Определение содержания углерода и марки сталей
Теоретическая часть.
К сплавам железа с углеродом относятся техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо может содержать от 0,006 до 0,02 % углерода. К сталямотносятся сплавы с содержанием угле-рода от 0,02 до 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами.
Различают диаграммы состояния «железо-графит» (Fe–C) и «железо-цементит» (Fe–Fe3C).
При нагреве до 911 ºС железо имеет ОЦК решётку и такое железо называется α–железо (Feα). Железо с ГЦК решёткой устойчиво до 1392 ºС и оно называется γ – железо или Feγ.
Жидкая фаза(Ж) представляет собой неограниченный раствор углерода в железе в расплавленном состоянии.
Феррит(Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α–и δ–же-лезе.
Аустенит(A)–твердый раствор внедрения углерода в γ–железе. Он имеет (как и Feγ) ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке.
Цементит(Ц) является химическим соединением железа с углеродом Fe3C, содержит 6,67 % C. Для цементита характерна высокая твердость (800 HBW) и очень низкая пластичность (хрупок).
Из этого следует, что цементит в сплавах железа с углеродом повы-шает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность.
Система «железо-цементит» считается не стабильной, так как карбид железа Fe3C при нагреве распадается с образованием свобод-ного углерода – графита. Диаграмма состояния «железо-цементит» представлена на рис. 4.1. По такой диаграмме кристаллизуются стали и белые чугуны.
Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы «железо-цементит» (Fe-Fe3C)
Особенностью данной диаграммы является то, что по оси абсцисс откладывается содержание углерода от 0 до 6, 67 % и цементита Fe3C от 0 до 100 %. Характерные точки диаграммы состояния приведены в табл. 4.1.
Характерные точки диаграммы «железо-цементит»
| Обозна- чение | Координаты точки | Примечания | |
| t, °С | C, % | Fe3C, % | |
| А | Температура кристаллизации (плавле-ния) чистого железа | ||
| D | 6,67 | Температура кристаллизации (распада) цементита | |
| N | Температура полиморфного превращения железа Feδ  Feγ | ||
| E | 2,14 | 32,1 | Предельная растворимость углерода в аустените (граница между сталями и чугунами) при 1147 °С |
| C | 4,3 | 64,5 | Эвтектическая точка сплава, где идётпревращение Ж↔Л (А + Ц) |
| G | Температура полиморфного превраще-ния железа: Feα Feγ | ||
| P | 0,02 | 0,3 | Предельная растворимость углерода в феррите при 727 °С |
| S | 0,8 | 12,0 | Предельная растворимость углерода в аустените при 727 °С; эвтектоидная точка сплава: А↔П (Ф + Ц) |
| Q | 0,006 | 0,09 | Предельная растворимость (концентра-ция) углерода в феррите при 20 °С |
В сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % углерода, по линии CD начинают выделяться кристаллы цементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава, его называют первичным (ЦI). При температуре 1147 °С, соответствующей линии ECF, происходит эвтектическое превращение, при котором жидкий раствор состава, соответствующего точке С (4,3 % углерода) кристаллизуется с одновременным образованием двух фаз: аустенита состава точки Е (2,14 % углерода) и цементита, содержащего 6,67 % углерода:ЖС ↔АЕ + ЦF. Полученная смесь двух фаз называется ледебуритом Л(А+Ц). Сплав, соответствующий 4,3 % углерода называют эвтектческим. Чугун, содержащий менее 4,3 % углерода, называют доэвтектическим, более 4,3 % углерода – заэвтектическим.
Линия PSK называется эвтектоидной. При температурах ниже линии РQ начинается выделение углерода из феррита, обусловленное снижением раство-римости углерода в феррите при понижении температуры. Выделив-шийся углерод взаимодействует с основой (железом) сплава и обра-зуется цементит третичный (ЦIII).
Структурная классификация железоуглеродистых сплавов
| Содерж.С,% | Название сплава | Структура | Применение сплавов |
 Рис. 4.5. Микроструктура заэвтектоидной стали (1,2 % С): а – фотография, х300; б- схема микроструктуры Определение содержания углерода и марки сталей В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:
где Fn – площадь, занятая в структуре перлитом, %; Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то содержание углерода будет
При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали необходимо учитывать его содержание не только в перлите, но и в цементите. Содержание углерода в заэвтектоидной стали вычис-ляется по формуле:
где (100–Fп) – площадь, занятая цементитом, %. Увеличение содержания углерода в структуре доэвтектоидных сталей приводит к повышению количества твёрдого и хрупкого цементита, а количество мягкого, пластичного феррита уменьша-ется. Поэтому с увеличением количества твёрдых частиц цементита повышается прочность σв, твёрдость НВ (рис. 4.6), и одновременно снижается пластичность (δ, ψ) и ударная вязкость (КСV) сталей.
Кроме углерода в сталях всегда присутствуют постоянные примеси. К ним относятся: 1) марганец и кремний. Они вводятся при разливке стали для её раскисления (удаления кислорода); 2) вредные примеси – сера и фосфор, которые поступают в сталь из руды и топлива при её выплавке. Наличие серы приводит к образованию легкоплавкой эвтектики Fe+FeS. Она при горячей обработки давле-нием, при температурах 988 ºС, расплавляясь образует жидкую фазу и вызывает хрупкость в стали. Это явление называется крас-ноломкостью. Образование фосфидов (соединений фосфора с металлами) или образование твёрдого раствора фосфора в железе способствует рез-кому снижению пластичности при пониженных температурах и появлению хладноломкости. Стали конструкционные обыкновенного качества.Они по степени раскисления и характеру затвердевания классифицируются на стали спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).Обозна-чают их буквами Ст и цифрами от 0 до 6: Ст0; Ст1…Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависи-мости от её химического состава, буквы около цифры «кп», «пс», «сп» показывают степень раскисления (например, Ст1кп, Ст5сп). Сталь Ст0 по степени раскисления не различают. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1…Ст6, кипящими — Ст1…Ст4. Качественные конструкционные стали маркируютсяпо ГОСТ 1050-2006 записью «Сталь» и числами 08, 10, 15,…, 60. Высококачественными выплавляют инструментальные и ле-гированные стали, в конце маркировки они имеют букву А. Особо высококачественными выплавляются электрошлако-вым переплавом стали специального назначения, в конце маркиров-ки ставится через тире буква Ш: сталь 15Х7Н2Т-Ш, 45ХНЗМФ-Ш. Инструментальные углеродистые стали содержат 0,65…1,2 %углерода и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали содержат меньшее количество вредных примесей и они делятся на качественные и высококачественные. Марки качест-венной стали по ГОСТ 1435-99 следующие: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 Источник Опыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре.
Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей. Доэвтектоидные стали, содержат от 0,15 до 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается. 100% пл. – 0,8%С Х= 40% пл. – Х% С Согласно количеству углерода определяется марка стали. Структуры доэвтектоидных сталей показаны на рис.4.: В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле: где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (1), можно по табл.1 определить марку этой стали. Например площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом 15, то углерода будет 15*0,8/100=0,12 % соответствует марке стали Ст1 Стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, называются заэвтектоидными. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, который может располагаться в виде светлых зерен или светлой сетки, расположенной по границам зерен или в виде игл (рис.5.). Вторичный цементит в заэвтектоидной стали, занимает незначительную по величине площадь, и определить ее на глаз затруднительно, поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, не пользуются. Однако приблизительно содержание углерода в заэвтектоидных сталях определить можно. Например, пусть поля шлифа содержит 90% перлита и 10% вторичного цементита. Зная, что углерод находится как в перлите, так и цементите, составим уравнение для перлита: Х1=90*0,8/100 = 0,72% С для цементита: общее содержание составит Хобщ.=0,667+0,72=1,387 Аустенит ( A ) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе. Феррит ( Ф ) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Ледебурит(Л) — эвтектическая смесь аустенита и цементита . Перлит(П) — эвтектоидная смесь феррита и цементита . Содержание отчета: 1. Название работы. Источник Опыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре. Как определить содержание углерода в сталиОпыт №2. Определение доли углерода в стали и марки стали по ее структуре.Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей. Доэвтектоидные стали, содержат от 0,15 до 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается.Количество феррита и перлита можно определить по диаграмме пользуясь правилом отрезков, так как отрезки, соответствующие отдельным структурным составляющим, пропорциональны площадям этих составляющих на микрошлифе. Если сталь имеет состав 0,8% углерода, то структура – один перлит, так как 100% площади занято перлитом. Если часть площади занята ферритом (например, 40%), то можно составить пропорцию для определения процента содержания углерода: 100% пл. – 0,8%С Х= 40% пл. – Х% С Согласно количеству углерода определяется марка стали. Структуры доэвтектоидных сталей показаны на рис.4.: В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле: где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %;0,8 – % С в перлите. Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (1), можно по табл.1 определить марку этой стали. Стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, называются заэвтектоидными. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, который может располагаться в виде светлых зерен или светлой сетки, расположенной по границам зерен или в виде игл (рис.5.). Вторичный цементит в заэвтектоидной стали, занимает незначительную по величине площадь, и определить ее на глаз затруднительно, поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, не пользуются. Однако приблизительно содержание углерода в заэвтектоидных сталях определить можно. Например, пусть поля шлифа содержит 90% перлита и 10% вторичного цементита. Зная, что углерод находится как в перлите, так и цементите, составим уравнение для перлита: 100% п – 0,8% С Х1=0,72% С 90% п – Х1 для цементита: 100% ц – 6,67% Аустенит ( A ) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе. Феррит ( Ф ) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Ледебурит(Л) — эвтектическая смесь аустенита и цементита . Перлит(П) — эвтектоидная смесь феррита и цементита . Определить содержание углерода расчетным путем в доэвтектоидной, заэвтектоидной стали при определенном содержании перлита и цементита вторичного и показать на диаграмме. 2) Поле шлифа в заэвтектоидной стали содержит 85% перлита, 15% цементита вторичного: Уравнение для перлита: Уравнение для цементита: 100%п -0.8%С 100%ц -6,67%С 2)Поле шлифа в заэвтектоидной стали содержит 89% перлита, 11% цементита вторичного: Уравнение для перлита: Уравнение для цементита: 100%п -0.8%С 100%ц -6,67%С 1. Название работы.2. Цель работы. 3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов3. Участок диаграммы состояния Fe – Fe3C для сталей, с содержанием углерода до 2,14%.5. Рисунок микроструктуры стали. 8. Содержание углерода в доэвтектоидной стали? 9. Содержание углерода в заэвтектоидной стали? 10. Что такое отжиг? 11. Что такое закалка? 12. При закалке меняется ли структура стали? 13. Что такое нормализация и чем она отличается от отжига?
25.Дать определение стали и чугунам. Как они маркируются?Стали — сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,3 %, а также с другими естественными или вводимыми с определенной целью легирующими добавками. Стали делятся: по применению — на конструкционные и инструментальные; по химическому составу — на углеродистые и легированные: по качеству — на углеродистые обыкновенного качества, углеродистые качественные конструкционные, легированные конструкционные и низколегированные конструкционные. Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем прочнее, тверже и менее пластична сталь. Конструкционная углеродистая сталь (используется для изготовления деталей машин и металлоконструкций) обыкновенного качества маркируется: Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 7, сталь углеродистая качественная — сталь 10, 15, 20 . 60, 65, 70, качественная с повышенным содержанием марганца — 15 Г, 30 Г, 50Г2 и т.д. В марке качественной стали цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 50 содержит до 0,5 % углерода). Инструментальная углеродистая сталь используется для изготовления металло- и деревоперерабатывающего инструмента и штампов. Сталь имеет в маркировке букву У и цифру, показывающую количество углерода. Например, У8А означает: сталь углеродистая инструментальная, содержащая 0,8 % углерода, высококачественная, так как в конце марки указана буква А. Легированная сталь содержит в своем составе добавки, придающие ей особые свойства — повышение износостойкости, температуростойкости, коррозийной стойкости и пр. В качестве легирующих добавок используют: вольфрам — В, хром — X, ни- кель — Н, кремний — С, молибден — М, титан — Т, ванадий -Ф, бор — Р, алюминий — Ю и др. Марка легированной стали обозначается многозначными числами (таблица 1.1). Цифры после букв обозначают процентное содержание компонентов; если оно не превышает одного процента, то цифра после буквы не ставится. Например, марка 25ХЗН4А расшифровывается как — высококачественная хромоникелевая сталь, содержащая до 0,25 % углерода, хрома 3 % и никеля 4 %. Стальное литье маркируется так : Сталь 25Л, 35Л и т.п. Механические свойства сталей (особенно усталостная прочность) повышаются при объемной и поверхностной термической (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) или химико-термической обработке (цементация, азотирование). Чугуны применяются для изготовления литых фасонных заготовок. Различают чугуны белые (до 4 % углерода),серые (до 3,6%), ковкие, высокопрочные, антифрикционные и легированные. Ковкий чугун получается из белых чугунов путем длительной выдержки при высокой температуре — томлением, характеризуется высокой прочностью и пластичностью. 27.Какие лигирующие элементы добавляют в сталь и как расшифровать их марки. Например: Ст.45хзнча?Стали — сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,3 %, а также с другими естественными или вводимыми с определенной целью легирующими добавками. Легированная сталь содержит в своем составе добавки, придающие ей особые свойства — повышение износостойкости, температуростойкости, коррозийной стойкости и пр. В качестве легирующих добавок используют: вольфрам — В, хром — X, ни- кель — Н, кремний — С, молибден — М, титан — Т, ванадий -Ф, бор — Р, алюминий — Ю и др. 14. Классификация железо-углеродистых сплавов по структуре (стали, чугуны)Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны. Сталь — сплав железа с углеродом и/или с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14%углерода (при большем количестве углерода образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность. Стали делятся на конструкционные и инструментальные.По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С). По структуре сталь разделяется: на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную. По степени раскисления и характеру затвердевания — стали спокойные, полуспокойные и кипящие. Углеродистые стали — сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии. Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Чугун — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны.Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Виды чугуна: Белый чугун, Серый чугун, Ковкий чугун, Высокопрочный чугун, Половинчатый чугун. 15. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталиВ углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. При содержании в стали свыше 1 % углерода твердость ее возрастает, а предел прочности уменьшается. Марганец содержится в стали в качестве примеси в количестве от 0,4 до 0,8 %. Марганец, растворяясь в феррите, повышает прочность и значительно увеличивает прокаливаемость стали. Кремний является полезной примесью и может присутствовать в стали до 0,5 %. Кремний очень повышает прочность стали за счет образования с ферритом твердого раствора. Фосфор для большинства сталей является вредной примесью, и содержание его не должно превышать 0,05 %. Фосфор увеличивает прочность и снижает пластичность и вязкость сталей. Сера является вредной примесью. Она образует сернистое железо FeS, которое взаимодействует с чистым железом, образуя легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %. Кислород, азот и водород являются вредными примесями. Кислород и азот находятся в стали в виде оксидов FeO, SiO2, MnO или нитридов Fe4N и др. Эти неметаллические включения нарушают сплошность стали и, являясь концентраторами напряжений, приводят к преждевременному выходу деталей из строя. Источник |
(1)
Таблица 1.