Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе по курсам: «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов машиностроительных и механических специальностей всех форм обучения
Одобрено радакционно - издательским советом Саратовского государственного технического университета
Саратов 2001
Лабораторная работа 1
♦ Цель работы: Изучить взаимосвязь внутреннего строения с механическими свойствами и химическим составом углеродистых сталей
Основные понятия
Характеристика фаз и структурных составляющих железо породистых сплавов
Сплавы железа с углеродом распространены в промышленности весьма широко. Главные и» них - сталь и чугун. Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода не более 2,14 %, называют сталями, свыше 2,14 % - чугунами.
Диаграмма состояния позволяет проследить за процессами, про исходящими в сплавах при нагревании и охлаждении, определить сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, установить режимы термической и химико-термической обработки, указать, какую структуру будут иметь сплавы в равновесном состоянии (медленно охлажденные), по микроструктуре рассчитать химический состав сплава.
Чтобы понять диаграмму Fe - Fе 3 С, необходимо в первую очередь познакомиться со строением и свойствами исходных компонентов, а также фаз и структур, составляющих данную систем.
Железо - металл серебристо-серого цвета, пластичен, с удельным весом г/см1, температура плавления 1539" С. На практике- техническое железо, содержи! до 0,1% примесей, таких как С Mn, Si, Р, S, О, N, Н и др.
Углерод - неметаллический элемент, с удельным весом 2 г/см3, температурой плавления; 3500 °С. Имеет три аллотропические модификаций алмаза, графита и угля
Чаще всего в сплавах углерод растворяется в Feа и Fey, образуя твердые растворы внедрения, а также образует химическое соединение Fe3 С цементит
В системе железо-цементит различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы феррит (Ф) и аустенит (Л), а также цементит (Ц).
у Феррит - твердый раствор внедрения углерода в а -железе (Feа). Имеет ОЦК решетку. При травлении 5 % - ным раствором HN03 в этиловом спирте феррит не окрашивается и под микроскопом 'просматривается в виде светлых равновесных, почти округлой формы зерен (рис. I, а). Максимальная растворимость углерода в феррите при комнатной температуре равна 0,008%, а при 727° С - 0,02%. Феррит имеет низкую твердость и прочность, но вязок и пластичен.
_ Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в у - железе (Fey) (рис 1, 6) Имеет ГЦК решетку. Растворимость углерода в Fey - зависит от температуры. Максимальная растворимость углерода равна 2,14% при температуре 1147 "С. Ниже 27 °С аустенит превращается в другие, более устойчивые структуры,
_ Цементит(Fen С) - карбид железа, содержит 6,67 % С, имеет орторомбическую кристаллическую решетку/обладает магнитными свойствами, тепло- и электропроводностью. Обычным травителем цементит не окрашивается (рис 1, д) Различаю т цементит первичный (Ц|), который выделяется из жидкого сплава, цементит вторичный (Ц2), выделяющийся из аустенита и цементит третичный (Цз), выделяющийся из феррита. Все они являются одной фазой, образуются из-за снижения растворимости углерода в твердой фазе, имеют один и тот же состав, строение и свойства. Цементит тверд, прочем и хрупок.
Перлит- это эвтектоидная механическая смесь двух фаз: феррита и цементита образуется при распаде аустенита с концентрацией углерода 0,8 % при температуре 727° С. Под микроскопом просматривается в виде темных зерен с прожилками (рис 1, в, г, д).
Значение точек и линий диаграммы Fe - Fe 3С
Каждая точка диаграммы (рис. 2) состояния сплава характеризует строго определенные явления при соответствующей температуре
Точка Л - 1539 °С - температура плавления железа.
С - 1147 °С - образование - распад эвтектики ледебурита(4,3%)
Д - 1250 °С - температура плавления цементита.
Е - 1147 ° С - предельная растворимость углерода в аустенита (2,14е/.).
G - 91 1 ° С - аллотропическое превращение Fey <-> Feа
S - 727 °С - образование - распад эвтектоида перлита (0,8 %).
Линя АСД - линия ликвидус, выше этой линии все сплавы в жидком состоянии. На ней при охлаждении начинается первичная кристаллизация сплавов
.
Линия.AECF - линия солидус, ниже этой линии все сплавы в твердом состоянии, на ней при охлаждении заканчивается первичная кристаллизация сплавов.
Линия ECF показывает температуру эвтектического превращения в сплавах. Первичная кристаллизация - процесс выделения из жидкой фазы кристаллов твердой фазы.
Линия GSE - показывает температуру начала вторичной кристаллизации. Вторичная кристаллизация (перекристаллизация) - процесс превращения в твердом состоянии и сплавах. По структуре в равновесном состоянии стали делятся на три группы. -
1)Доэвтектоидные, содержащие от 0, 008 до 0,8 % углерода. Структура при комнатной температуре состоит из феррита - светлые зерна и перлита - темные зерна (рис I, в), количество перлита изменяется пропорционально содержанию углерода.
2)Эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода. Структура при комнатной температуре состоит т из чередующихся пластинок феррита и цементита Такая структура называется пластинчатым перлитом (рис I, г)
3) Заэвтектоидные, содержащие углерода от 0,8 до 2,14%. Структура этих сталей при комнатной температуре состоит из перлита и цементита в виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис. I, д). 4)Техническое железо имеет структуру феррита (рис. 1, а).
Превращения доэвтектоидной стали.
Железо при различных температурах имеет различное кристаллическое строение.
Это явление называют аллотропией или полиморфизмом. Переход из одной кристаллической формы в другую в железе показан на кривой охлаждения (рис. 3)
Выше линии ликвидус (рис. 2) сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении в точке I начинается, а в точке 2 закаливается первичная кристаллизация по реакции (Ж t1-t2 А) Здесь и в дальнейшем в реакции показано, какая фаза в какую превращается (Ж->А) и в каком температурном интервале это превращение происходит (tl- t2), как изменяются составы фаз в процессе кристаллизации (1-1').
От точки 2 до точки 3 происходит охлаждение аустенита без прекращений. В точке 3 начинается, а на линии PC заканчивается вторичная кристаллизация в аустенита по реакции (А1, (4 Ф), то есть из аустенита выделяются кристаллы феррита. Количество углерода в аустените увеличивается до 0,8% по отрезку (3-S). Так как при вторичной кристаллизации из аустенита выделяется практически чистое железо, в меньшем объеме аустенита концентрируется весь углерод стали.
Достигнув при Ts эвтектоидной концентрации, аустенит окончательно распадается на эвтсктоидную смесь феррита с цементитом - перлит по реакции (А ts П). При дальнейшем охлаждении стали до комнатной температуры растворимость углерода в феррите понижается по отрезку (4 - Q) и из него выделяется цементит по реакции (Ф ts - 0 Ц3), напиваемый третичным. Окончательная структура стали при комнатной температуре феррит и перлит. Цементит третичный (Цз) структурно не просматривается.
Превращения эвтектоидной и заэвтектоидной сталей
Первичная кристаллизация эвтектоидной (Х2) и заэвтектоидной стали (ХЗ) (рис.2) происходит аналогично доэвтектоидной. Вторичная кристаллизация звтоктоидной стали (Х2) происходит при температуре ts 727 °С полным распадом аустенита по реакции (Л ls Г1)
Вторичная кристаллизация заэвтектоидной стали (ХЗ) начинается па линии ЕС частичным распадом аустенита с образованием избыточного цементита по реакции (А 18-ts Lb),концентрация углерода в нем уменьшается по отрезку (8 - S).Заканчивается перекристаллизация эвтектоидным превращением при температуре ts = 727° С по реакции (A ts П). При охлаждении до комнатной температуры происходит перекристаллизация в эвтектоидном феррите по реакции (Ф ts-0 Ц3)
Методика эксперимента
Устройство микроскопа, приемы настройки па резкость изображения и различное увеличение описаны в лабораторной работе
«Устройство и эксплуатация микроскопа МИМ - 8».
Определение структурных составляющих и их количественного соотношения.
Наблюдая под микроскопом структуру стали, необходимо сравнить ее визуально с фотографиями микроструктур из атласа и определить фазы и структурные составляющие (феррит, цементит и перлит) в каждой стали по их металлографическим признакам. Здесь же определить её структурную принадлежность к доэвтектоидной стали, эвтектоидной или заэвтектоидной стали.
Приблизительно (но соотношению площадей фаз в зоне наблюдения) определить количество феррита с перлитом в доэвтектоидной и перлита с избыточным цементитом в заэвтектоидной стали в процентах Количество избыточного цементита в заэвтектоидной стали обычно колеблется в пределах 1….10%
Г)
Определение количества углерода и марки стали по структуре
Любая сталь состоит из двух фаз феррита и цементита В феррите содержится ничтожное количество углерода, поэтому им пренебрегают. Известно, что в перлите связанный цемент занимает 12% или 0,12 объёма (площади), а в цементите содержится 6,67 % углерода Таким образом, в перлите количество углерода равно
Сп = (0.12 * 6 67)Fn /100 =0.8%. (1)
Структура доэвтектоидной стали отличается только количеством перлита, поэтому количество углерода в них определяется по уравнению
Сэвт = (0.12 * 6.67)Fn /100, %, (2)
где Fn - площадь, замятая перлитом, %
Заэвтектоидиая сталь состоит из перлита и избыточного цементита (Ц?), поэтому количество углерода в ней определяется по уравнению _ *
Сзаэвт. = ((0.12 * 6.67)Fn + 6 67*Fu)/100, %, (3)
где Fц - площадь, занятая избыточным цементитом, % По подсчитанному количеству углерода определяют марку стали по ГОС Т 1050 - 88 (табл. 1) и ГОСТ 1453 - 74 (табл. 2).
/ 
Определение механических свойств стали Определение твердости по Бринеллю производится по ГОСТ 9012-59 на твердомере TT.U закаленным шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 30000 Н. Отпечаток выполнен на противоположной от поверхности шлифа стороне образца.
После выполнения микроанализа студенты измеряют диаметр от печатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях на каждом образце с помощью микроскопа МБС-1 с точностью до 0,05 мм При измерении каждого диаметра отпечатка нужно строго следить за резкостью изображения края отпечатка и расположением шкалы микроскопа точно по его диаметру.
По усредненным величинам диаметров отпечатков в таблице 3 находится соответствующее значение твердости ИВ,
Числа твердости получены при нагрузке 30000 11 и ширине диаметром 10 мм. Между пределом прочности о„ (МПа) и числом твердости НВ для стали существует зависимость п„ 3.5 11В.
Определив количество углерода, марку стали по нему, её твердость НВ и предел прочности с„, по таблице I из ГОСТ 1050-74 можно найти относительное удлинение, характеризующее пластичность этой марки стали.
Совокупность характеристик прочности, твёрдости, и пластичности стали определяет область применения материала и эксплуатационные характеристики детали.
Требования безопасности труда
1. Выполнять только работу, предусмотренную заданием. Категорически запрещается изменять электропроводку микроскопа и производить ремонт.
2. При возникших затруднениях по настройке микроскопа или подключению его к сети обращаться к преподавателю или лаборанту.
3. Во время перерыва в наблюдении микроструктуры и при отлучках необходимо микроскоп отключать от электросети.
4. По окончании работы отключить микроскоп от сети, собрать шлифы - образцы в комплектную коробку и сдать их лаборанту, закрыть микроскоп чехлом.
Порядок выполнения работы
При работе используют металлографический микроскоп МИМ - 7 или ММУ-ЗУ, микроскоп бинокулярный МБС - I, комплект из 4-х стальных образцов - шлифов с отпечатками на противоположной стороне от шлифа, атлас с фотографиями микроструктур, плакаты.
Требуется исследовать под микроскопом образцы - шлифы отожженных сталей с различным количеством углерода и выявить его влияние на структуру и механические свойства.
Последовательность действий при работе
1 Включить микроскоп в сеть с напряжением 110 В.
5. Установить один из образцов - шлифов над отверстием предметного столика микроскопа зеркалом шлифа вниз. При этом нужно убедиться, что линза объектива находится напротив отверстия предметного столика и пучок света беспрепятственно попадает на зеркало шлифа.
6. Настроить микроскоп на резкость изображения винтом тонкой настройки. Поставить светофильтр, обеспечивающий наилучшую освещенность шлифа.
4 Изучить под микроскопом каждый образец - шлиф, определить структурную принадлежность и составляющие стали, их количественное соотношение, количество углерода и марку стали по ранее описанной методике.
5. Определить соответственно структурам механические свойства каждой стали по диаметру отпечатка, сравнив их со свойствами по
Г ОСТ 1050-74 и Г ОСТ 1435-74. Значительные расхождения в свойствах свидетельствуют об ошибках, допущенных при определении марки стали и её твердости.
6. Все полученные результаты проведенного исследования занести в таблицу по указанной форме (табл. 4), которая выполняется на развороте двух страниц в тетради. Схемы микроструктур выполнять в квадратах 40 х 40 мм или кружках диаметром 40 мм. /
Таблица 4
Результаты исследования
| [ 11азвание | Структурные | Расчет ко | Диаметр | Твер- | Предел |
| стали и | составляю | личества | отпечат | дость, | прочно |
| схема | щие, их | углерода в | ка, мм | НВ | сти ов, |
| структуры | храктеристи- ка и колич. соотношение, % | стали в % и примерная марка стали | МПа | ||
Содержание и оформление отчета о работе
I Порядковый номер и название лабораторной работы
5. Таблица с результатами исследования.
6. График измерения механических свойств (НВ и Ов) в зависимости от содержания углерода в стали.
7. Выводе указанием влияния углерода на структуру и механические свойства стали.
Вопросы для самопроверки
2. Классификация углеродистых сталей по структуре в равновесном состоянии.
3. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит?
4. Как определить состав и количественное соотношение фаз по правилу отрезков?
4 Как определить содержание углерода и марку стали по структуре?
8. Как влияет содержание углерода на структуру и механические свойства стали?
Время, отведенное на лабораторную работу (час.)
Подготовка к работе
Выполнение работы
Обработка результатов эксперимента и оформление отчета
Литература
7. Лахтин Ю. М. Леонтьева В.П Материаловедение' Учебник для машиностроительных вузов.2- е изд., перераб. и доп. М: Машиностроение 1980. 493 с.
8. Геллер Ю А., Рахштадг А.Г. Материаловедение. Методы а нал и за, лабораторные работы, и задачи. 5-е изд. М: Металлургия, 1983 384 с.
9. Мозберг Р К. Материаловедение. М.: Машиностроение,
1091.287 с
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ
' Методические указания * к учебно-исследовательской лабораторной работе по курсам: «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов»
Составили: КАЗИНСКИЙ Алексей Алексеевич ЛЯСНИКОВ Владимир Николаевич ГУСЕВ Владимир Иванович
Формат (>0x84 I' I')
Рецензент К.Г. Бутовский
Лицензия ЛР № 020271 от 15.11 96
Подписано н печать 25.04.01
Бум.тип. У сл.-печ.л. 0,93(1,0) Уч.-изл.л 0,9
I ира-М'ОО экз. Заказ 51Ц Бесплатно
Саратовский государственный технический университет 110054 г. Саратов, ул. Политехническая. 77
Копипринтер СГГУ, 410054 г Саратов, ул. Политехническая, 77
Бесплатно
S