На головну

Лабораторна робота № 8. Структура і властивості вуглецевої сталі в рівноважному стані

Мета роботи: Вивчення діаграми стану залізовуглецевих сплавів; аналіз перетворень, що відбуваються в сплавах при охлаждениях і нагревах; визначення фазового і структурного стану сплавів в залежності від їх складу і температури; встановлення залежності між структурою і властивостями стали.

під рівноважним розуміється такий стан, при якому всі фазові перетворення в сплаві повністю закінчилися відповідно до діаграми стану. Це має місце тільки при дуже малих швидкостях охолодження (нагрівання). Рівноважний стан відповідає мінімальному значенню вільної енергії і не піддається мимовільного зміни в часі. Тому воно називається стабільним.

Перетворення, які відбуваються в сталях в рівноважному стані, описуються діаграмою залізо - цементит, представленої на малюнку 8.1.

Малюнок 8.1 - Діаграма залізо - цементит

У залізовуглецевих сплавах можуть бути присутніми наступні тверді фази: ферит, аустеніт, цементит.

ферит - твердий розчин впровадження вуглецю в a-залізі, що має об'ємно-центровану кубічну решітку. На діаграмі залізо - цементит існують дві області фериту - високотемпературна АNН і низькотемпературна GPQ. Максимальна розчинність в високотемпературної області становить 0,10% (точка Н), В низькотемпературної - 0,02% (точка Р). Зміст вуглецю при кімнатній температурі - 0,01%. Ферит м'який і пластичний (sВ = 200-300 МПа, d = 20-50%, 80-100 НВ).

аустеніт - твердий розчин впровадження вуглецю в g-залозі, що має гранецентрированную кубічну решітку. на діаграмі «залізо-цементит» аустенит займає область NJESG. Максимальна розчинність вуглецю в аустеніт - 2,14% (точка Е). За механічними властивостями аустенит близький до фериту. Гарячу обробку тиском проводять в області існування аустеніту (однофазний твердий розчин характеризується високою пластичністю).

цементит - хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза, хімічна формула якого Fe3С. Зміст вуглецю в цементиті дорівнює 6,67%. Цементит має високу твердість ( »800 HV) і крихкістю. Він має складну ромбічну грати. Вона складається з ряду октаедрів, осі яких розташовані під деякими кутами один до одного.

Кристалізація сплавів, вміст вуглецю в яких менше 0,5% (точка В), Починається з виділення з рідкого розчину кристалів фериту. При змісті вуглецю більше 0,5% стали кристалізуються з виділенням аустеніту.

Сплави, що містять вуглець від 0,1% (точка Н) До 0,5% (точка В), Зазнають при температурі 1499 oC (лінія НJB) перитектичне перетворення, Що полягає в тому, що рідкий розчин, який має при цій температурі концентрацію -0,5% С (точка В), Взаємодіючи з виділилися з нього кристалами фериту концентрації 0,1% С (точка Н), Утворює нову фазу - кристали аустеніту концентрації 0,16% С (точка J):

ФН + ЖВ ® АJ.

При подальшому зниженні температури в сплавах з вмістом вуглецю від 0,1 до 0,16% ферит, що залишився після перитектического перетворення, перекрісталлізовивают в аустеніт. У сталях з вмістом вуглецю більше 0,16% залишилася рідина твердне з утворенням аустеніту. нижче ліній NJ и JE сплави мають однорідну аустенитную структуру.

Всі сплави з вмістом вуглецю понад 0,02% (точка Р) При температурі 727 oС (лінія PSK) зазнають евтектоїдна перетворення. При евтектоїдних перетворенні аустенит, що має при цій температурі концентрацію вуглецю відповідну 0,8% С (точка S), Розпадається з утворенням евтектоїдной суміші - Перліту (фериту 0,02% С (точка Р) І цементиту):

AS ® ФР + Ц.

Евтектоїдних суміш фериту і цементиту, що утворюється в результаті евтектоїдного розпаду аустеніту називається перлитом.

У сплавах з вмістом вуглецю менше 0,8% (точка S) Евтектоїдних перетворення передує виділення з аустеніту фериту, яке протікає в інтервалі температур, обмежених лініями GS и РS. При цьому в останньому аустените концентрація вуглецю змінюється по лінії GS. У сплавах з вмістом вуглецю понад 0,8% (точка S) Евтектоїдних перетворення передує виділення з аустеніту цементиту. Виділення цементиту протікає в інтервалі температур, обмежених лініями ES и SK. У цьому випадку концентрація вуглецю в останньому аустените змінюється по лінії ES.

Залізовуглецеві сплави в залежності від вмісту вуглецю діляться на три групи: технічне залізо, сталі, чавуни.

технічне залізо - це сплави з вмістом вуглецю менш 0,02% (точка Р). Як випливає з діаграми «залізо-цементит», Технічне залізо має структуру фериту або фериту і цементиту третинного, який у вигляді окремих дрібних включень розташовується по межах зерен фериту (рисунок 8.2, а). Третинний цементит виділяється з фериту в результаті зниження розчинності вуглецю при зменшенні температури від евтектоїдной (727 оС) до кімнатної. Гранична розчинність вуглецю в фериті обмежується лінією GPQ. За властивостями технічне залізо подібно фериту.

стали - це сплави з вмістом вуглецю від 0,02% (точка Р) до 2,14% (точка Е). У структурі стали в міру збільшення вмісту вуглецю зростає частка цементиту і відповідно зменшується частка фериту. Це призводить до підвищення твердості і міцності стали і зниження її пластичності, зміни фізичних і технологічних властивостей. Залежно від вмісту вуглецю сталі за своєю структурою поділяються на доевтектоїдних, евтектоїдні и заевтектоідние.

доевтектоїдних стали містять від 0,02% вуглецю (точка Р) До 0,8% (точка S). Вони мають структуру фериту (світлі зерна) і перліту (темні зерна) (рисунок 8.2, б, в). Кількісне співвідношення між перлітом і ферритом залежить від вмісту вуглецю. Зі збільшенням вмісту вуглецю прямо пропорційно збільшується вміст перліту. При концентрації вуглецю в стали 0,8% кількість перліту дорівнює 100%. Знаючи площу, яку займає перлитом, з достатньою для практики точністю можна визначити вміст вуглецю в вуглецевої сталі:

С = ,

де А - площа, яку займає перлитом.

евтектоїдних сталь містить 0,8% вуглецю (точка S) І складається з перліту (рисунок 8.2, г).

Малюнок 8.2 - Мікроструктура технічного заліза (а), доевтектоїдних сталей з вмістом вуглецю 0,2% (б) і 0,45% (в), евтектоїдной (г) і заевтектоідной (д) сталей

заевтектоідних сталь містить від 0,8% вуглецю (точка S) До 2,14% вуглецю (точка Е). Заевтектоідних сталь складається з перліту і цементиту (рисунок 8.2, д).

Таким чином, структура і властивості стали визначаються кількістю вуглецю в ній. Доевтектоїдних стали, містять до 0,8% вуглецю, є конструкційними, Призначеними для виготовлення деталей машин (машинобудівні сталі), конструкцій та споруд (будівельні стали). Значною мірою властивості вуглецевих сталей, а отже, і область їх застосування залежать від вмісту в них шкідливих домішок сірки і фосфору. Чим менше їх в стали, тим вище її якість.

стали звичайної якості, Найбільш дешеві, є конструкційними сталями загального призначення і містять до 0,07% фосфору, 0,06% сірки, 0,06-0,49% вуглецю. За гарантованим властивостями вони поділяються на три групи - А, Б, В. В сталях групи А гарантуються механічні властивості, групи Б - хімічний склад, групи В - гарантуються механічні властивості і хімічний склад.

Сталь групи А маркується буквами Ст і номером 0, 1, 2, ... 6, наприклад, Ст1. У сталях групи Б перед буквами Ст ставиться буква Б, наприклад, БСт2. У сталях групи В перед буквами Ст ставиться буква В, наприклад, ВСт3. Зі збільшенням умовного номера підвищується вміст вуглецю в стали, що призводить до збільшення міцності властивостей, до зниження пластичності і зварюваністю.

Стали групи А застосовуються для виготовлення рядового прокату (швелерів, куточків, листів, прутків, труб та ін.) Використовується для клепаних і болтових конструкцій, а також для малонавантажених деталей машин (валів, осей, зубчастих коліс, болтів і т. Д.) , що не піддаються нагріванню в процесі обробки. Стали групи Б застосовуються для виготовлення виробів, що підлягає нагріванню (гарячої обробці тиском, зварювання, термічної обробки). Стали групи В застосовуються для виготовлення зварних конструкцій, що піддаються розрахунками на міцність.

В кінці марки стали ставляться літери «кп», «пс», «сп». букви «кп» показують, що сталь кипить, «пс» - Полуспокойная, «сп» - Спокійна.

якісна конструкційна сталь в порівнянні зі сталлю загального призначення містить вдвічі менше сірки і фосфору і відрізняється більш високими механічними властивостями. Вона маркується цифрами, наприклад, 08, 10, ..., 80, які показують вміст вуглецю в сотих частках відсотка.

Низьковуглецевих сталі, що містять вуглецю до 0,25%, мають невисоку міцність і високу пластичність і застосовуються для виготовлення виробів листової холодної штампуванням (05кп ... 10), а також для деталей, зміцнюючих цементацією, і для різних зварних з'єднань (сталь 15, сталь 20). Крім того, з останніх сталей виготовляють болти, шпильки, гайки, валики невідповідального призначення і т. П.

Середньовуглецеві стали марок 30-50 призначаються для відповідальних деталей високої міцності з в'язкою серцевиною (зубчасті колеса, шатуни, колінчасті вали, розподільні вали, гвинти, осі, втулки, важелі та ін.). Як правило, деталі з цих сталей піддаються поліпшенню (вид термічної обробки).

Високовуглецеві стали 55- 85 застосовуються для пружин, ресор, а також деталей високої міцності: прокатних валків (сталь 60), кранових коліс (сталь 75), дисків муфт зчеплення (сталь 85) і ін. Деталі з цих сталей піддаються загартуванню та відпуску ( види термічної обробки).

Для виготовлення різних інструментів застосовується вуглецева інструментальна сталь, Що містить вуглецю від 0,7 до 1,3%. Вона має знижений вміст шкідливих домішок: фосфору - до 0,035% і сірки - до 0,03% (якісна сталь) або фосфору - до 0,03% і сірки - до 0,02% (високоякісна). Ця сталь проводиться наступних марок: У7-У13 (якісна) або У7А-У13А (високоякісна). Тут «У» означає «вуглецева інструментальна сталь», число після «У» - вміст вуглецю в десятих частках відсотка (наприклад, У12 містить вуглецю 1,2%), буква «А» в кінці марки - високоякісна сталь.

Стали марок У7 і У8 вязче інших, тому що не мають в структурі цементиту. Вони йдуть на виготовлення ударних інструментів - молотків, зубил, сокир, Кернер, стамесок, доліт, штампів і т. Д.

Стали У10 і У11 мають дещо меншу в'язкість і трохи більшу твердість (т. К. В їх структурі міститься невелика кількість цементиту) і використовуються для виготовлення різців, свердел, мітчиків, лерок.

Стали У12 і У13 володіють низькою в'язкістю і високою твердістю і використовуються для виготовлення інструменту, який не зазнає ударних навантажень (напилків, бритв, рашпілів і т. П.).

Контрольні питання

1 Описати перетворення, які відбуваються в сталях при нагріванні або охолодженні, вказати їх температури.

2 Дати визначення фаз, присутніх в сталях, і вказати вміст вуглецю в них.

3 Дати класифікацію вуглецевих сталей за якістю, змістом вуглецю і призначенням.

4 Вивчити маркування сталей і вказати області застосування перелічених сталей:

- Ст2, БСт3, ВСт4, Ст6;

- 08кп, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 80;

- У7, У8, У10А, У11, У12, У13.



У другій частині лабораторного практикуму містяться основні теоретичні положення і методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Матеріалознавство». |

| | Завдання до роботи | | | | | | Завдання до роботи |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати