ПЕРЛИТ – структурная составляющая в углеродистых и легированных сталях и чугунах, возникающая при эвтектоидном превращении (см МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ) согласно диаграмме состояния железо – углерод . Перлит состоит из двух фаз – феррита и цементита , феррит – железо с очень малым количеством углерода (до 0,03%), а цементит – химическое соединение Fe 3 C, содержащее по массе 6,67%С. Среднее содержание углерода в перлите – 0,8%С, а сталь с целиком перлитной структурой, содержащая 0,8% углерода, называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% сталь состоит из перлита и феррита, если углерода более 0,8% – из перлита и, в соответствии с диаграммой состояния железо – углерод.
При металлографическом исследовании изучается срез поверхности металла (металлографический шлиф), который подвергается шлифовке, полировке и химическому травлению специально подобранными реактивами. Химическая активность цементита больше, чем феррита, поэтому под микроскопом сильно протравленные участки цементита имеют черный цвет, а участки феррита сохраняют светлый цвет.
Перлит обычно имеет пластинчатую структуру, каждое зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита шириной в десятые доли мкм. Длина пластинок соответствует размеру зерен металла, и пластинки идут от одной границы зерна к другой. Если такая объемная пластинчатая структура пересекается плоскостью шлифа и подвергается травлению, то на ее поверхности возникает полосчатая структура из светлых полосок феррита и тонких полосок цементита. При различных термообработках ширина полосок (межпластиночное расстояние) может быть различным, ширина полосок цементита в 7 раз меньше, чем полосок феррита. При длительной выдержке при высоких температурах зерна феррита и цементита могут переходить из пластинчатой формы в округлую, и на металлографическом шлифе наблюдаются мелкие, темные, округлые зерна цементита на фоне крупных зерен феррита.
Перлит – продукт эвтектоидного превращения высокотемпературной фазы – аустенита при термической обработке сплавов. Аустенит при охлаждении при температуре 723° С распадается на феррит и цементит. Перлитное превращение всегда начинается на границах зерен аустенита. Чтобы возникли частицы новой фазы, нужно создать зоны пониженной и повышенной концентрации углерода. Исходный аустенит содержит 0,8% углерода, а в результате превращения образуется феррит, практически не содержащий углерода, и цементит с 6,67% углерода. Для объяснения этих процессов предложен флуктуационный механизм, согласно которому атомы углерода с большой диффузионной подвижностью при высоких температурах, могут создавать зоны с повышенной концентрацией углерода. Этот процесс является энергетически выгодным, и зародыш цементита вырастает до критического размера.
ПЕРЛИТ – структурная составляющая в углеродистых и легированных сталях и чугунах, возникающая при эвтектоидном превращении (см МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ) согласно диаграмме состояния железо – углерод . Перлит состоит из двух фаз – феррита и цементита , феррит – железо с очень малым количеством углерода (до 0,03%), а цементит – химическое соединение Fe 3 C, содержащее по массе 6,67%С. Среднее содержание углерода в перлите – 0,8%С, а сталь с целиком перлитной структурой, содержащая 0,8% углерода, называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% сталь состоит из перлита и феррита, если углерода более 0,8% – из перлита и, в соответствии с диаграммой состояния железо – углерод.
При металлографическом исследовании изучается срез поверхности металла (металлографический шлиф), который подвергается шлифовке, полировке и химическому травлению специально подобранными реактивами. Химическая активность цементита больше, чем феррита, поэтому под микроскопом сильно протравленные участки цементита имеют черный цвет, а участки феррита сохраняют светлый цвет.
Перлит обычно имеет пластинчатую структуру, каждое зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита шириной в десятые доли мкм. Длина пластинок соответствует размеру зерен металла, и пластинки идут от одной границы зерна к другой. Если такая объемная пластинчатая структура пересекается плоскостью шлифа и подвергается травлению, то на ее поверхности возникает полосчатая структура из светлых полосок феррита и тонких полосок цементита. При различных термообработках ширина полосок (межпластиночное расстояние) может быть различным, ширина полосок цементита в 7 раз меньше, чем полосок феррита. При длительной выдержке при высоких температурах зерна феррита и цементита могут переходить из пластинчатой формы в округлую, и на металлографическом шлифе наблюдаются мелкие, темные, округлые зерна цементита на фоне крупных зерен феррита.
Перлит – продукт эвтектоидного превращения высокотемпературной фазы – аустенита при термической обработке сплавов. Аустенит при охлаждении при температуре 723° С распадается на феррит и цементит. Перлитное превращение всегда начинается на границах зерен аустенита. Чтобы возникли частицы новой фазы, нужно создать зоны пониженной и повышенной концентрации углерода. Исходный аустенит содержит 0,8% углерода, а в результате превращения образуется феррит, практически не содержащий углерода, и цементит с 6,67% углерода. Для объяснения этих процессов предложен флуктуационный механизм, согласно которому атомы углерода с большой диффузионной подвижностью при высоких температурах, могут создавать зоны с повышенной концентрацией углерода. Этот процесс является энергетически выгодным, и зародыш цементита вырастает до критического размера.
Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления в 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации: ) . Модификация существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С; гамма-железо – при температуре 911-1392 °С. В зависимости от температуры и концентрации углерода в железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) образуются следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит, графит.
1. Феррит
(Ф) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.
Альфа-железо имеет ОЦК структуру, которая стабильна до 911 °С. Наибольшая растворимость углерода в альфа-железе – 0,02% при 727 °С. С понижением температуры снижается и растворимость углерода, и при комнатной температуре она составляет 0,005% по массе. По этой причине феррит называют технически чистым железом, он имеет незначительную твердость (HB = 80-100) и прочность (предел прочности в = 250 МПа), но высокую пластичность (относительное удлинение до 50%, относительное сужение до 80%).
При температуре от 1392 °С до 1539 °С железо также имеет ОЦК структуру - это дельта-железо. Твердый раствор внедрения углерода в дельта-железе называют высокотемпературным ферритом
.
2. Аустенит
(А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе.
Аустенит имеет ГЦК структуру. В железоуглеродистых сплавах аустенит может существовать только при высоких температурах. В гамма-железе углерод растворяется значительно лучше, чем в альфа-железе, максимальная растворимость углерода в гамма-железе составляет 2,14% и наблюдается при температуре 1147 °С. С пониженим температуры растворимость углерода снижается - до 0,8% при 727 °С. Аустенит имеет твердость HB = 160-200 и весьма пластичен (относительное удлинение 40-50%), наблюдается в сталях при температурах от 727 °С.
3. Цементит
(Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3 C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600 °С. Он очень тверд (HB порядка 800 единиц), хрупок и практически не обладает пластичностью. Выделяют цементит первичный, вторичный и третичный. Их отличия заключаются в происхождении:
- первичный цементит
образуется из жидкого расплава при кристаллизации железоуглеродистых сплавов (линия СD),
- вторичный цементит
выпадает из аустенита (по причине уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры - линия SE)
- третичный цементит
выпадает из феррита с понижением температуры (по причине снижения растворимости углерода в феррите с понижением температуры - линия PQ)
Цементит - неустойчивая метастабильная фаза. При нагреве и длительной выдержке цементит распадается на феррит (альфа-железо) и графит (Fe 3 C -> 3Fe + C).
4. Графит – чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Помимо четырех вышеназванных фаз в струтуре сплавов железа с углеродом выделяют еще две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит.
5. Перлит
(П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода.
Перлит образуется из аустенита при охлаждении его до температуры ниже 727 °С. Таким образом, перлит является эвтектоидом
. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности 800 МПа, относительное удлинение 15%, твердость HB = 160.
6. Ледебурит
(Л) – механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.
Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой
. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%.
При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.
| Феррит | Аустенит | Цементит | Графит | Перлит | Ледебурит | |
| Сущность | твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе | твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе | химическое соединение железа с углеродом | чистый углерод | механическая смесь феррита и цементита | механическая смесь аустенита и цементита |
| Обозначение | Ф или -Fe(C) | А или -Fe(C) | Ц или Fe 3 C | Г | П = Ф + Ц = Fe ? (C) + Fe 3 C |
Л = А + Ц = Fe ? (C) + Fe 3 C |
| Твердость HB | 80-100 | 160-200 | 800 | 3 | 160 | 600-700 |
| Содержание углерода | до 0,02% | до 2,14% | 6,67% | 100% | 0,8% | 4,3% |
Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом
Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.
Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей
Цель:
изучить превращения в сплавах системы железо-цементит и структуры сталей различного состава в равновесном состоянии. Определить содержание углерода в исследуемых сталях и их марки.
Микроструктуру сталей изучают в равновесном состоянии, т. е. в таком состоянии, когда процессы фазовых превращений полностью произошли, что достигается только при очень медленном охлаждении. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии определяют по диаграмме состояния железо-цементит. Особенность диаграммы - наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита (рис. 1.).
Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, называются сталями , а более 2,14 % - чугунами .
Структура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода. После полного отжига в углеродистой стали присутствуют следующие фазы и структурные составляющие: феррит, цементит, перлит.
Феррит (Ф)
- твердый раствор углерода в α-железе. Он является продуктом диффузионного превращения аустенита при его охлаждении ниже температур линии GPSK
(см. рис. 1).
Под микроскопом феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (рис. 2). Последнее объясняется неодинаковой травимостью вследствие анизотропии свойств феррита. Растворимость углерода в феррите изменяется с изменением температуры, что отражается на диаграмме состояния (рис. 1) - линия GPQ
. Максимальное содержание углерода в феррите при комнатной температуре достигает 0,006 %.
Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение δ=50 % и твердость зависит от концентрации углерода и других растворенных примесей и изменяется в пределах НВ 450÷800.
Феррит обладает ферромагнитными свойствами, в парамагнитное состояние переходит при температуре 768°С.
Цементит (Ц)
- химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fe 3 C. Кристаллическая решетка цементита сложная ромбическая. Цементит обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводностью, малыми магнитными свойствами до температуры 210°С. Температура плавления при атмосферном давлении у цементита не установлена, так как он является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах распадается на железо и углерод. В зависимости от условий охлаждения аустенита цементит может иметь зернистую или пластинчатую форму, Цементитная сетка из пластинок, охватывающих зерна перлита в структуре заэвтектоидной стали, снижает ее пластичность и прочность , а увеличивает твердость . Цементит - самая твердая составляющая, НВ 8000. Его пластичность практически равна нулю. Поэтому с возрастанием количества цементита в стали при увеличении концентрации в ней углерода твердость стали возрастает, а пластичность падает.
Рис. 1 – Диаграмма состояния сплавов системы железо–углерод
Перлит (П)
- эвтектоидная смесь из кристаллов цементита м феррита, образующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного охлаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8 % (точка S
, рис. 1). При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной массы перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под микроскопом просматривается в виде темных и светлых полосок.
В зависимости от формы цементита различают:
а) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите (рис. 3. а);
б) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин; последние образуют смесь чередующихся пласгпш цементита (рис. 3, б) и феррита.
Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастают.
Рис.2 - Схема зарисовки структуры феррита (техническое железо)
Рис.3 - Схема зарисовки структуры перлита а -зернистый перлит; б - пластинчатый перлит (эвтектоидная сталь)
Обыкновенный пластинчатый перлит имеет предел прочности σ b =820 МПа и относительное удлинение δ 5 =15 %, а крупнопластинчатый σ b =550 МПа и δ 5 =5%. Зернистый перлит имеет σ b =630 МПа и δ 5 =20 %.
Твердость пластинчатого перлита НВ 2000÷2500, а зернистого - НВ 1600÷2200.
На микрошлифе в обычном оптическом микроскопе при малом увеличении (до 200 крат) перлит наблюдается в виде темных зерен, в которых не видно ни пластин, ни зерен цементита, так как размер цементитных частиц очень мал.
Структура стали в равновесном состояния зависит от содержания в ней углерода.
Техническое железо содержит не более 0,02 % углерода и может быть двухфазным или однофазным сплавом.
Технически чистое железо называют армко-железом. Его получают в больших количествах промышленным способом с суммарным содержанием примесей около 0,15 %.
Сплавы с содержанием углерода до 0,006 % состоят из феррита, а в интервале концентраций 0,006-0,02 % - из феррита и цементита третичного, который выделяется по границам ферритных зерен вследствие изменения растворимости углерода в феррите при понижении температуры (см. рис. 1).
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % углерода. Стали состоят из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рис. 3, а). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода. По соотношению площадей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с определенной степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно определить содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения, и умножить на содержание углерода в перлите (0,8 % - см. рис. 1).
Пример: площадь, занятая перлитом f Ц = 0,6 (относительно 1). Тогда содержание углерода в данном образце будет: 0,8×0,6 = 0,48 %.
Зная процентное содержание углерода, можно определить марку стали.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода, в ее структуру входит только перлит (см. рис. 4)
Рис.4 - Схемы зарисовки структуры стали а -доэвтектоидной; б - заэвтектоидной
Заэвтектоидные стали содержат углерода более 0,8 %. Они состоят из перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде светлой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита (рис. 4, б).
Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации углерода. Если известно относительное содержание вторичного цементита на микрошлифе, можно определить содержание углерода в данном образце. Для этого к углероду, содержащемуся в перлите, нужно добавить углерод, содержащийся во вторичном цементите. Например, площадь, занятая вторичным цементитом f ЦII = 0,04 (относительно 1), тогда площадь занятая перлитом f П = 0,96 относительной площади микрошлифа.Содержание углерода определяют следующим образом.
0,04×6,67 + 0,96×0,8 % =1,1 %
Химический состав и маркировка сталей приведены в табл. 1.2, 1.3, 1.4.
Влияние углерода на свойства стали в основном определяются свойствами цементита и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. При увеличении углерода до 1,2 % (рис. 5) возрастают
