Как определить структуру стали по содержанию углерода

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.
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:

(1)

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%

Таблица 1.

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.

1) Fn1 = 15%; С=?

2) Поле шлифа в заэвтектоидной стали содержит 85% перлита, 15% цементита вторичного:

Уравнение для перлита: Уравнение для цементита:

2)Поле шлифа в заэвтектоидной стали содержит 89% перлита, 11% цементита вторичного:

Уравнение для перлита: Уравнение для цементита:

1. Название работы.
2. Цель работы.

3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
3. Участок диаграммы состояния Fe – Fe3C для сталей, с содержанием углерода до 2,14%.
5. Рисунок микроструктуры стали.

Читайте также:  Как вы стали заниматься сельским хозяйством

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?

  1. Дальский А.М., Барсукова Т.М. и др. Технология конструкционных материалов. – Машиностроение.1992г.
  2. Никифоров В Н. Технология металлов. – Машиностроение, 1982г.

Источник

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.

Читайте также:  Гипофиз это какая железа

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, %;
0,8 – процентное содержание углерода в перлите.

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.

Рис. 4.6. Зависи-мость механических свойств стали от со-держания углерода горячекатаных прут-ков, без термообра-ботки: НВ – твёрдость; σв–предел прочно-сти; δ–относительное удлинение; ψ–относительное сужение; КСV – ударная вяз-кость

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

2.4. Определение содержания углерода и марки стали по её структуре

Количественное соотношение феррита и перлита в структуре сталей зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода в структуре увеличивается доля перлита, соответственно уменьшается доля феррита.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

(8.1)

где Fп – площадь, занятая в структуре перлитом, %; 0,8 – процентное содержание углерода в перлите.

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали необходимо учитывать содержание углерода не только в перлите, но и в цементите. Содержание углерода в заэвтектоидной стали определяется по формуле:

(8.2)

где (100–Fп) – площадь, занятая цементитом, %.

Рассчитав массовую долю углерода по формулам (8.1) и (8.2), можно установить марку доэвтектоидной стали. Для ориентировоч-ного определения содержания углерода доля этих площадей могут оцениваться визуально.

2.5. Влияние содержания углерода на свойства стали

С увеличением содержания углерода в структуре стали возрастает количество твёрдого и хрупкого цементита, а количество мягкого, пластичного феррита уменьшается. Твёрдые частицы цементита приводят к увеличению прочности σв, твёрдости НВ (рис.8.6), и одновременному снижению пластичности (δ, ψ) и ударной вязкости (КСV). В случае заэвтектоидных сталей грубые выделения цементита вокруг зерен перлита в виде непрерывной сетки (см. рис. 8.5) приводят к снижению прочности и к ещё большему снижению пластичности стали. Низко- и средне углеродистые стали имеют оптимальное сочетание прочности, твёрдости, пластичности и ударной вязкости. Они широко применяются для изготовления деталей машин, используются в различных конструкциях и такие стали получили название конструкционных. Они содержат ≤ 0,7 % С и широко применяются для изготовления деталей машин благодаря дешевизне и удовлетворительных механических свойств.

Рис. 8.6. Зависи-мость механи-ческих свойств стали от содер-жания углерода:

КСV – ударная вязкость

По качеству они делятся на стали: 1) обыкновенного качества с содержанием не более 0,05 % S и не более 0,04 % P; 2) качественные с содержанием не более 0,04 % S и не более 0,035 % P.

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества маркируются сочетанием букв Ст, цифрами от 0 до 6, показывающей номер марки, и индексами, указывающими степень раскисленности стали (кп, пс, сп).

Содержание углерода в них изменяется от 0,1 % до 0,5 %. Это наиболее дешевые стали, изготавливаемые в виде проката (прутки, листы, швеллеры, трубы и др.) и поковок. Предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Состав и свойства сталей определяются ГОСТ 380-94.

Качественные конструкционные стали марок сталь 08, 10, 15, 20, 25,…, 60 по ГОСТ 1050-88 используются для изготовления деталей ответственного назначения. Цифры показывают содержание углерода в сталях в сотых долях процента. По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоугле-родистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3…0,5 % С) и высокоуглеродистые конструкционные (0,5…0,65 % С)

Источник

Читайте также:  Валюта подкрепленная золотом какая валюта
Поделиться с друзьями
Металл и камни