Микроструктура отожженных углеродистых сталей

Стали представляют собой сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С. На диаграмме состояния железо-углерод (рис. 1) стали находятся левее точки Е. При анализе микроструктур сталей используют сплошные линии диаграммы состояния железо-углерод, относящиеся к метастабильному равновесию фаз с участием карбида железа Fe₃C. Пунктирные линии, относящиеся к стабильному равновесию фаз с участием графита, используют при анализе структуры серых чугунов.

Рис. 1 Диаграмма состояния “железо-углерод” (железо-цемент).

При температуре ниже 727 ⁰С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цемента. Феррит представляет собой твердый раствор углерода в Fe_a с объемно-цементированной кубической решеткой. Максимальная растворимость углерода в Fe_a составляет около 0,02%С при 727 ⁰С (точка Р). Цементит – химическое соединение - карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67%С.

При температуре выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор углерода в Fe_g с гранецентрированной кубической решеткой. Максимальная растворимость углерода в Fe_g составляет 2,14% (точка Е).

В результате фазовых превращений (рис.1) в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения (вместе с печью) в сталях образуются следующие структурные составляющие: перлит, избыточный феррит, вторичный и третичный цементит.

При охлаждении по GS из аустенита начинает выделяться избыточный феррит, а по линии ЕS - вторичный цементит. По линии PQ из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении ниже 727 ⁰С аустенит состава точки S (0,8% С) распадается на эвтектоидную смесь феррита с цементом, называемую перлитом.

Сталь, содержащую 0,8%С называют эвтектоидной. Стали, содержащие до 0,8%С называют доэвтектоидными, а более 0,8%С - заэвтектоидными.

Для выявления микроструктуры микрошлифы сталей часто травят в 5% спиртовом растворе азотной кислоты HNO₃ (5% концентрированной азотной кислоты и 95% спирта).

При этом структурно свободные феррит и цементит практически не травятся, а перлит у низко и среднеуглеродистых сталей окрашивается в темный цвет.

Все углеродистые качественные конструкционные стали (доэвтектоидные) имеют структуру феррит + перлит в отожженном состоянии. От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (не более 0,04%), фосфора (не более 0,035..0,04%) и меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узкими пределами. Качественные конструкционные стали маркируются двузначными числами, обозначающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

Например, сталь 08, 10, 15, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 содержат соответственно 0,8%С, 0,10%С, 0,15%С...0,75%С. Низкоуглеродистые стали могут быть спокойными или кипящими, что зависит от условий и степени раскисления. Кипящая сталь в конце марки имеет буквы «КП», спокойная – «СП».

Качественные углеродистые конструкционные стали подразделяются на:

1. Низкоуглеродистые (стали высокой пластичности и малой прочности, марки 08, 08КП, 10, 10КП, 15, 20, 25, 30). Из этих сталей производят детали, претерпевающие малые нагрузки при эксплуатации (втулки, кулачковые валики, рычаги, болты, гайки), изготовляемые штамповкой, сваркой, обработкой резанием.

2. Среднеуглеродистые стали с содержанием 0,3..0,55%С применяются после нормализации улучшения, закалки ТВЧ и низкого отпуска (в зависимости от требуемых свойств). Из этих сталей изготавливают оси, рычаги, фланцы, упоры, ролики, валики, цапфы, шпонки, храповики, коленчатые валы, шестерни, штоки, полуоси заднего моста.

3.Углеродистые конструкционные стали высокой прочности, износостойкие и с высокими упругими свойствами содержат углерода от 0,6% до 0,75%. После закалки и отпуска, закалки ТВЧ детали из этих сталей могут выдерживать большие статические и вибрационные нагрузки. Детали из этих сталей обладают пониженной вязкостью. Из этих сталей изготавливают круглые и плоские пружины различных размеров, пружины клапанов двигателя автомобиля, пружины амортизаторов, замковые шайбы, диски сцепления, эксцентрики, шпиндели и др.

Углеродистые качественные инструментальные стали (заэвтектоидные) в отожженном состоянии имеют структуру перлит + цементит вторичный. Марки этих сталей обозначают У9, У10, У11, У12, У13. Буква “У” обозначает, что сталь углеродистая инструментальная. Цифра указывает содержание углерода в десятых долях процента. У9-0,9%С. Две цифры, стоящие после буквы “У” указывают соответственно 1,0%С,1,1%С, 1,2%С и 1,3%С.

Буква А, располагающаяся после цифр в обозначении углеродистых инструментальных сталей указывает, что данная марка стали является высококачественной.

В высококачественных инструментальных сталях содержание серы не должно превышать 0,02% и фосфора 0,03%.

Углеродистые высококачественные стали имеют лучшую вязкость, чем качественные стали в закаленном и низкоотпущенном состоянии и получают более чистую поверхность при шлифовании.

Из качественных и высококачественных углеродистых инструментальных сталей изготавливают различные инструменты: топоры, колуны, стамески, долота (7, У7А); инструменты для обработки дерева - фрезы, зенковки, цековки, продольные и дисковые пилы; штампы для холодной штамповки (У10, У10А); напильники, бритвенные ножи и лезвия, острый хирургический инструмент, шаберы, гравировальный инструмент (У13, У13А).