Hydratool.ru

Журнал "ГидраТул"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Анализ углерода, серы и фосфора

Анализ углерода, серы и фосфора

Сталь — наиболее распространенный сплав железа с углеродом, в который входит ряд неизбежных примесей (Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др.). Все они оказывают влияние на свойства стали, поэтому химический анализ — обязательный элемент системы качества на предприятии.

  • Анализ на углерод. Углерод — основной компонент стали, который представлен в ней в разных формах, и определяет его марку и основные свойства.
  • Анализ на серу и фосфор. Сера и фосфор трудноудаляемые элементы, которые попадают при выплавке стали в основном из чугуна. Они считаются вредными примесями, так как ухудшают качество стали. Максимально допустимое содержание серы не более 0,06%, а фосфора — 0,05%. В ходе плавки металла стараются провести мероприятия по десульфурации и дефосфорации, чтобы снизить влияние этих элементов.

Влияние углерода, серы и фосфора на качество стали

Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.

Углерод в стали

Углерод — полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов — феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение — цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.

В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:

  • низкоуглеродистые (до 0,3% С);
  • среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
  • высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Содержание углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла. При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости. Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.

Сера в стали

Сера — вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS. Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин. Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.

Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор в стали

Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном — чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки. Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости. Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.

Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.

Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

  • спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
  • интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

  • Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
  • Анализ носит неразрушающий характер.
  • Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
  • Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
  • Высокая чувствительность и точность.
  • Экспрессность.
  • Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

  • путем прокачки инертным газом;
  • вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

  • Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
  • Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.
Читайте так же:
Как самому заточить цепь бензопилы видео

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

  • Насос с блоком питания.
  • Баллон с газом для компенсации потерь.
  • Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 — отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.

Лабораторный практикум по материаловедению

9.Почему возможна упрочняющая термическая обработка дюраномина?

10.Какому виду термической обработки надо подвергнуть дюралюмин. чтобы получить максимальную пластичность?

11.При какой температуре проводят искусственное старение дюралюми-

12.Приведите типы сплавов, в которых механизм упрочнения при термической обработке аналогичен механизму в дюралюминах?

1. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1985.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1990.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1984.

Лабораторная работа N 11

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы: изучить микроструктуру отожженной стали и установить связь между структурой и механическими свойствами.

1.Вычертить в масштабе диаграмму железо — углерод (область сталей) с обозначением на ней всех фаз и структур.

2.Построить схематично кривую охлаждения для доэвтектоидной стали. Объяснить ее с помощью правила фаз (содержание углерода задает преподаватель).

3.Рассмотреть под микроскопом комплект шлифов. Определить по микро структуре тип сплава. Изучить, зарисовать и описать структуру исследуемых сталей.

4.Для доэвтектоидных сталей определить (приближенно) содержание углерода по микроструктуре и написать марку качественной стали.

5.Ответить на контрольные вопросы.

Стали — это сплавы железа с углеродом, которые содержат до 2,14% углерода.

В сплавах железа, также как у железа, в твердом состоянии происходит превращение из-за перехода железа, из одной кристаллографической формы в другую. До 910°С атомы железа образуют объемноцентрированную кубическую решетку Fe — α, выше 910°С гранецентрированную Fe — γ. В статях из-за влияния углерода превращение происходит при других температурах.

На рис. 11.1 приведена диаграмма фазового равновесия сплавов железо — углерод (пунктирные линии) и железо — цементит (сплошные линии).

При изменении температуры в сталях могут получаться следующие структуры:

1)аустенит — твердый раствор углерода в Fe- γ , 2)феррит — твердый раствор углерода в Fe- α ,

3)цементит — химическое соединение Fe 3 C,

4)перлит — механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита. Превращение, которое происходит в сталях в твердом состоянии при

температуре 727°С, называется эвтектоидным. При охлаждении аустетит превращается в перлит. В зависимости от содержания углерода структура стали и ее свойства меняются.

При комнатной температуре все сплавы (кроме сплавов с содержанием углерода менее 0,002 %) состоят из двух фаз — феррита и цементита.

В сталях (сплавы, содержащие до 2,14% углерода), кроме избыточного феррита или цементита, имеется также эвтектоидная структурная составляющая пластинчатого строения — перлит; в сталях, содержащих до 0,025% углерода, перлитной составляющей нет.

Читайте так же:
Ip rating что это

Рис.11.1. Диаграммасостоянияжелезо– углерод ижелезоцементит

По структуре стали делят на группы: доэвтекгоидные, содержащие до 0,8% углерода, эвтектоидные, содержащие 0,8% углерода, и заэвтектоидные, которые содержат от 0,8 — 2% углерода.

Доэвтекгоидные стали после отжига имеют структуру феррита и перлита. Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ее структуре перлита и тем выше прочность стали (одновременно с повышением прочности уменьшается пластичность).

Эвтектоидная сталь после отжига состоит из перлита. Она прочная, твердая, но пластичность меньше, чем у доэвтектоидной.

Заэвтектоидные стали после отжига имеют структуру перлита и вторичного цементита, который обычно располагается в виде сетки.

При увеличении содержания углерода твердость заэвтектоидных сталей

увеличивается, а прочность снижается из-за увеличения хрупкости.

Для повышения пластичности и улучшения обрабатываемости резанием заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, при котором весь цементит выделяется в виде зерен. Эти зерна находятся в феррите. Такая зернистая смесь называется зернистым перлитом. Микроструктуры сталей приведены на рис. 11.2.

Свойства структурных составляющих отожженных сталей в относительно равновесном состоянии приведены в таблице.

с зернистым перлитом

При перегреве доэвтектоидных сталей (нагрев 1000 °С) с последующим охлаждением на воздухе может образоваться неравновесная структура Феррит в этом случае выделяется в виде длинных пластин (игл), прорезающих крупные зерна перлита. Такая структура называется видманштеттовой. Образуется она при перегреве и в литой стали.

Сталь с видманштеттовой структурой имеет низкую прочность, ударную вязкость и пластичность. Исправить такую структуру (сделать ее мелкозернистой) можно, подвергнув такую сталь полному отжигу .

Рис. 11.2. Микроструктуры сталей (x250):

а — технически чистого железа (феррит);

б — доэвтекдоидной (феррит + перлит);

в, г — эвтектоидной (перлит); д — заэвтектоидной стали (перлит — сетка вторичного цементита)

Порядок выполнения работы

Первое задание выполняется в порядке подготовки к. лабораторной работе, при этом необходимо вычертить в масштабе диаграмму с указанием температур фазовых превращений и концентраций особых точек (Н, I, В, С, Р, Q, S). Указать кристаллические фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

При выполнении второго задания описать превращения, происходящие при охлаждении из состояния жидкого раствора до комнатной температуры.

Указать конечные структурные составляющих сплава и схематично изобразить конечную структуру.

Третье задание выполняется бригадой по 2 — 3 человека. Студенты получают набор микрошлифов сталей с различным содержанием углерода. Изучив структуру шлифа под микроскопом, зарисовать ее в квадрате размерами 40×40 мм с указанием структурных составляющих и увеличения микроскопа. Дать описание строения и свойств структурных составляющих и указать класс стали.

По микроструктуре доэвтектоидных сталей (задание 4) определить содержание углерода. Принимая феррит за чистое железо (практически), можно считать, что весь углерод в доэвтектоидных статях находится в перлите.

Например, пусть 35% всей площади рассматриваемого под микроскопом шлифа занято перлитом и 65% — ферритом. Тогда содержание углерода в сталях можно определить из пропорции: 100% перлита — 0,8%, 35% перлита X%

Откуда X = (35-0,8)/100 = 0,27 % углерода. Такое содержание углерода имеет сталь марки 25.

По результатам исследований сделать выводы о том, как меняется микроструктура стали от содержания углерода и как влияет содержание углерода на механические свойства.

1.Название, цель и задание.

2.Участок диаграммы железо — цементит в масштабе (область сталей). 3.Кривые охлаждения для указанных сталей с расстановкой фаз и

числа степеней свободы.

4 Рисунки микроструктур исследуемых сталей с описанием строения структуры, механических свойств. Применение этих сталей.

5.Расчет содержания углерода по микроструктуре (для доэвтектоидной стали).

6. Выводы о влиянии углерода на структуру и механические свойства стали.

7. Список используемой литературы.

1.Какие сплавы железа с углеродом относятся к доэвтектоидным? 2.Что такое феррити каковыегомеханические свойства?

3.Что такое перлит и каковы его механические свойства? 4.Что такое цементит и каковы его механические свойства? 5.Каково содержание углерода в перлите?

6.При какой температуре образуется перлит в стали?

7.Как влияет увеличение углерода в стали на механические характеристики сталей?

8.Какую микроструктуру имеют доэвтектоидные стали и где они применяются?

9.Какую микроструктуру имеют заэвтектоидные стали и где они применяются?

10.Какова равновесная микроструктура сталей 20, 45, 60, У8, У12?

1.Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1985.

2.Лахтин Ю.М.. Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.

3.Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

Лабораторная работа N 12

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНОВ

Цель работы: изучить микроструктуру чугунов и установить связь между составом, условиями получения, структурой и свойствами.

1.Зарисовать диаграмму железо — углерод (пунктирные линии) и железо-цементит (сплошные линии) для чугунов.

2.Построить кривые охлаждения для доэвтектического и заэвтектического чугуна. Проверить правильность их построения с помощью правила фаз; указать превращения, протекающие в чугунах при охлаждении их из жидкого состояния до комнатной температуры.

Читайте так же:
Как закалить металл в масле

3.Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуру образцов белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Описать их структуру, условия и метод получения, механические свойства и применение.

4. Объяснить влияние формы и размеров графита на механические свойства чугунов.

5.Ответить на контрольные вопросы.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, которые содержат более 2,14% углерода. Кроме углерода, чугуны (по сравнению со сталями) содержат повышенное количество кремния, марганца, серы и фосфора.

В зависимости от содержания примесей, скорости охлаждения и последующей обработки углерод в чугуне может находиться в связанном виде — в виде цементита или в свободном — в виде графита.

Различают следующие виды чугунов:

1. Белый чугун. Весь углерод находится в виде цементита.

2. Серый чугун. Большая часть или весь углерод находится в виде графита. Графит имеет форму пластинок.

3. Ковкий чугун. Большая часть находится в виде графита. Графит имеет хлопьевидную форму.

4. Высокопрочный чугун. Большая часть или весь углерод находится в виде графита. Графит имеет шаровидную форму.

Белые чугуны получаются при ускоренном охлаждении и повышенном содержании марганца (свыше 1%). В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита (Fe 3 С), поэтому этот чугун очень твердый и хрупкий. Структурные превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe 3 C. При кристаллизации белых чугунов образуется эвтектика — ледебурит. Ледебурит — это механическая смесь аустенита и

цементита. Он образуется при температурах 1147°С,

дящий в состав ледебурита, превращается в перлит.

ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита.

По содержанию углерода белые чугуны делятся на доэвтектические (2 — 4,3%), эвтектические (4,3%) и заэвтектические (больше 4,3%). Доэвтектические белые чугуны имеют структуру, состоящую из перлита и ледебурита (см. рисунок а). Чем больше углерода в доэвтектическом чугуне, тем больше содержание ледебурита.

Эвтектический белый чугун состоит только из ледебурита (см. рисунок б).

Заэвтектический чугун состоит из крупных пластин первичного цементита и ледебурита (см. рисунок в). Чем больше углерода в заэвтектическом чугуне, тем больше он содержит первичного цементита. Серый чугун получается при медленном охлаждения и повышенном содержании кремния (до 3%). Структура серых чугунов характеризуется количеством и формой графитовых включений и структурой металлической основы. Графит выделяется в виде пластин, такие включения являются внутренними надрезами. Они сильно снижают прочность чугуна.

Металлическая основа серого чугуна бывает ферритной, ферритоперлитной, перлитной. Микроструктура серого чугуна на ферритоперлитной основе приведена на рисунке г.

Свойства серого чугуна зависят от количества и формы графита и структуры металлической основы. Прочность серых чугунов на растяжение находится в пределах 100 — 350 МПа (ГОСТ 1412-85).

Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и двузначным числом. Две цифры показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение. Мерой качества чугуна принято считать показатели его прочности. Количество, размер и форму графитных включений изучают на нетравленых шлифах. После травления изучают структуру металлической основы. Если в чугуне наряду с графитом есть ледебурит, то такой чугун называется половинчатым.

Ковкий чугун получают при длительном нагреве при высоких температурах (отжиг 900 — 1000°С) отливок из белого чугуна. При температурах около 1000°С цементит распадается и образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым значительно меньше снижает прочность и пластичность металлической основы.

Металлическая основа ковкого чугуна бывает ферритной, ферритоперлитной и перлитной. Микроструктура ковкого чугуна на ферритоперлитной основе показана на рисунке д.

Микроструктура чугунов (х 250):

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун; в – заэвтектический белый чугун; г – серый феррито-перлитный чугун; д – ковкий феррито-перлитный чугун; е – высокопрочный ферритный чугун

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Содержание углерода в стали

Реестр кадастровых инженеров на карте

Для дальнейшего рассмотрения структурных превращений при медленном охлаждении необходимо все стали разделить на две группы:

стали с содержанием углерода менее 0,8% (левее точкиS, на диаграмме)

стали с содержанием углерода более 0,8% (правее точкиS).

Стали первой группы применяются в основном как стали конструкционные, а стали второй группы — как стали инструментальные.

В сталях с содержанием углерода менее 0,8%линии GS и PSK определяют температуры начала и конца перекристаллизации (вторичная кристаллизация) аустенита в феррит.

Перекристаллизация

Перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением Feγ→ Feα.

В чистом железе это превращение проходит при постоянной температуре (910°), в то время как в сталях оно проходит в интервале температур, так как для стали с содержанием С = 0,2% процесс перекристаллизации начнется при температуре 850° и закончится при температуре 723°.

Структурные превращения при охлаждении стали

Однако при охлаждении стали в интервале температур 850—723° не весь аустенит превратится в феррит. Часть аустенита останется. Этот аустенит при температуре 723° превратится в перлит.

Читайте так же:
Влагоотделитель для компрессора из огнетушителя

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями GS и PSK, структура сталей с содержанием С < 0,8% при комнатной температуре будет состоять из феррита + перлита.

Количественное соотношение между ферритом и перлитом определится процентом углерода в стали. Чем больше углерода б стали, тем больше в ней перлита, и сталь будет более твердая, прочная, но менее пластичная.

В сталях с содержанием С>0,8%линии SE и PSK определяют температуры начала и конца кристаллизации цементита из аустенита (вторичная кристаллизация).

Это превращение вызывается уменьшением растворимости углерода в аустените при охлаждении.

При температуре 1130° в аустените может раствориться 2% углерода, а при 723° только 0,8%. Поэтому если в стали углерода 1%, то при охлаждении начиная с температуры 820° из аустенита будет выделяться избыток углерода в форме цементита до тех пор, пока в аустените не останется 0,8% углерода.

При температуре 723° этот аустенит превратится в перлит.

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями ES и PSK и при температуре 723°, структура сталей с содержанием С>0,8% при комнатной температуре будет состоять из цементита + перлита.

Количественное соотношение между цементитом и перлитом также будет определяться количеством углерода в стали. Чем больше в стали углерода, тем больше в ней цементита и сталь будет более твердая, но и более хрупкая.

В сталях с содержанием С=0,8% превращение аустенита при медленном охлаждении начнется и закончится при температуре 723°. Структура этой стали при комнатной температуре будет перлит.

Температуры линииPSK, если речь идет о нагреве, обозначаютAC1.

Температуры линийGS иSE обозначают соответственно АСз или АСт.

Влияние углерода на твердость термически обработанных сталей

Цель работы . Установить зависимость между содержанием углерода в стали и ее твердостью после отжига и закалки.

Механические свойства сталей, в том числе и твердость, зависят от их внутреннего строения. Строение углеродистой стали прежде всего зависит от ее химического состава, который в основном характеризуется содержаниям углерода. При постоянном составе стали ее структурное состояние может быть изменено термической обработкой.

Из существующих видов термической обработки отжиг, с одной стороны, и закалка -с другой, дают наиболее резкое отличие в структуре и свойствах стали. В результате отжига сталь приобретает структуру, близкую к равновесной, прочностные свойства углеродистой стали при этом отличается сравнительно низким уровнем, а пластические — повышенным. Закалка, наоборот, дает крайне неравновесную структуру, высокие значения прочностных свойств и низкие — пластических.

Влияние углерода на структуру и свойства отожженных сталей

Ранее были изучены структуры чистых железоуглеродистых сплавов. Технические стали отличатся от чистых железоуглеродистых сплавов тем что содержат, кроме железа и углерода , еще ряд элементов примесей неизбежно попадающих в стали в связи с условием производства (плавки).

Если содержание примесей не превышает количества, указанного в ГОСТ 380-88, то их влияние на свойства сталей незначительно. Следовательно, структура и свойства технических сталей могут характеризоваться почти так же, как и чистых двойных сплавов, то есть в полном соответствии с диаграммой состояния железо — углерод. В соответствии с диаграммой состояния после отжига в равновесном состоянии структура стали представляет собой смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода. Ясно, что свойства медленно охлажденных (отожженных) сталей будут определяться прежде всего свойствами и количеством составляющих фаз. Основной (преобладающей) фазой в сталях является феррит. Механические свойства феррита характеризуются следующими величинами:

Предел прочности при растяжении, МПа 250

Предел текучести при растяжении, МПа 120

Относительное удлинение, % 50

Относительное сужение, % 85

Твердость, НВ 80

Эти показатели могут, изменяться в некоторых пределах, так как на свойства феррита влияет ряд факторов (например, увеличение размеров зерен понижает твердость, а увеличение содержания примесей повышает твердость).

Цементит твердый (НВ — 800) и хрупкий. С изменением содержания углерода изменяется структура стали.

Структура технически чистого железа, содержащего до 0,006 %С, состоит только из феррита, что и определяет его низкие прочностные свойства. Технически чистое железо, содержащее 0,007 — 0, 02 %С , наряду с ферритом имеет в структуре небольшое (не более 0,29 %) количество цементита третичного, располагающегося в виде сравнительно крупных включений по границам ферритных зерен. Цементит третичный при таком его расположении оказывает незначительное влияние на прочностные свойства, несколько повышая их.

В структуре железоуглеродистых сплавов, содержащих свыше 0,02 % С, появляется двухфазная структурная составляющая — перлит. Механические свойства перлита, в частности твердость, определяются количественным соотношением присутствующих в нем феррита (88 %) и цементита (12 %) , так и формой и дисперсностью частичек цементита. Поэтому прочность перлита может изменяться от 550 МПа для крупнопластинчатого до 820 МПа для тонкопластинчатого, а твердость от НВ = 160 ед. до НВ = 250 ед.

Читайте так же:
Контур заземления для частного дома 15 квт

Для, заэвтэктоидных сталей (углерода свыше 0,8э %) , структура которых, кроме пластинчатого перлита, содержит цементит вторичный, наблюдается дальнейшее повышение твердости. Однако другая прочностная характеристика — предел прочности, достигнув наибольшего значения при 0,8 — 0,9 %, при более высоких содержаниях углерода понижается. Это обусловлено наличием большого количества хрупкой цементитной фазы, а также тем, что часть ее (цементит вторичный) расположена в виде сплошной оболочки по границам зерен. В результате этого снижается сопротивление отрыву и предел прочности.

Пластические свойства сталей (относительное удлинение и относительное сужение, ударная вязкость) по мере увеличения содержания углерода в стали непрерывно понижаются.

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Основная цель, преследуемая при закалке углеродистых сталей, — получение высоких прочностных свойств. Достигается эта цель за счет получения высокопрочной твердой мартенситной фазы, образующейся из аустенита при быстром охлаждении, то есть при мартенситном. превращении.

Мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств по сравнению с отожженным состоянием. Так по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа а результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 НV а предел прочности -с 200 до 900 МПа. Высокая твердость мартенсита объясняется повышенной плотностью дефектов в его решетке: двойниковых прослоек и дислокаций.

При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода. Это можно объяснить следующим образом.

При мартенситном превращении в сталях весь углерод, растворенный в аустените остается в твердом растворе. Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α — железе. Сохранение углерода в твердом растворе при мартенситном превращении вызывает искажение решетки, поэтому мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку, в которой один период С больше другого – А . Тетрагональность прямопропорциональна содержанию углерода. Большей пластичностью обладают более симметричные решетки, так как в них больше плоскостей легкого скольжения. Твердость же определяется сопротивлением внедрению в тело индентора, что связано с пластичностью.

Очень большое влияние на твердость мартенсита оказывает фазовый наклеп, возникающий при закалке стали. Природа фазового наклепа заключается в следующем. Мартенсит по сравнению с другими фазовыми составляющими стали и особенно аустенитом имеет наибольший удельный объем. Поскольку рост мартенситных кристаллов протекает с увеличением объема, то окружающий аустенит и мартенситные пластины подвергаются сильному наклепу. Этот наклеп называется фазовым, так как он связан с фазовым превращением.

С увеличением содержания углерода в стали удельный объем мартенсита возрастает значительно интенсивнее, чем удельный объем аустенита.

Необходимо помнить, что в зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное состояние, то есть нагревают выше критической температуры A c 3 , при неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур — между А с1 и A c 3 .

При быстром охлаждении в процессе закалки не весь аустенит успевает превратиться в мартенсит. Остается какая то его часть – остаточный аустенит, приводящий к снижению твердости и прочности. Количество остаточного аустенита прямопропорциоанально количеству углерода в стали.

Таким образом, углерод оказывает существенное влияние на структуру и свойства как отожженных, так и закаленных сталей.

ВОПРОСЫ ДОЯ САМОПОДГОТОВКИ

Что называется ферритом, аустенитом, мартенситом?

Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в α — железе?

Как изменяется количество остаточного аустенита при закалке сталей при увеличении содержания углерода?

Какая температура нагрева является оптимальной для закалки доэвтектоидной стали?

Какая температура нагрева является оптимальной для закалки заэвтектоидной стали?

Какой кристаллической решеткой обладает феррит?

Какой кристаллической решеткой обладает аустенит?

Какой кристаллической решеткой обладает мартенсит углеродистой стали?

Что из себя представляет структура закаленной стали?

При какой скорости охлаждения стали в ней возможно образование остаточного аустенита?

При какой скорости охлаждения углеродистой стали в ней возможно образование мартенсита?

С каким содержанием углерода сталь дает максимальную твердость после закалки в воде?

Какой метод замера макротвердости пригоден для стали, закаленной на мартенсит?

Какое содержание углерода в стали не дает остаточного аустенита при закалке?

Каким видом термической обработки можно уменьшить количество остаточного аустенита в закаленной стали при сохранении мартенситной структуры?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Отожженные образцы сталей с различным содержанием углерода зачистить с двух торцов на абразивном камне, после чего произвести измерение твердости на приборе Роквелла.

Часть образцов с различным содержанием углерода нагреть и выдержать в течение 15 минут в электрических: муфельных печах при температуре выше А с3 (А с1 ) на 30 — 50°с. После выдержки образцы закалить в воде.

Все закаленные образцы зачистить с торцов на абразивном круге и произвести измерение твердости на приборе Роквелла.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector