Методика проведения эксперимента.

Задание.

1. Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в отожженном состоянии.
2. Изучить микроструктуру белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов.
3. Освоить метод приближенного определения содержания углерода в стали.
4. Начертить диаграмму состояния железо-цементит.
5. Сделать выводы по работе.

Приборы, материалы, инструменты. Для выполнения работы необходимо:

-металлографические микроскопы МИМ-7;

-комплекты наборов микрошлифов;

- альбомы фотографий микроструктур.

Методика проведения эксперимента.

Лабораторную работу выполняют после изучения диаграммы состояния железо-углерод (железо-цементит), изучив структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Работу выполняют три бригады по 4-5 человек. Каждое рабочее место оборудовано одним металлографическим микроскопом и набором шлифов железоуглеродистых сплавов.

Теория.

Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Такое состояние выступает только при очень медленном охлаждении. Следовательно, основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния Fe – Fe₃C (рис.3.1), основы которой были выведены Д.К.Черновым, когда он открыл

Рис.3.1 Диаграмма состояния железо-цементит

 

Компонентами, образующими эту систему, являются чистое железо Fe и карбид железа Fe₃C. Наличие химического соединения Fe₃C в диаграмме железо-углерод позволяет рассматривать диаграмму Fe-Fe₃C.

Сплавы, содержащие не свыше 2% С, называются сталями.

Структура стали в равновесном состоянии, зависит от содержания углерода в железоуглеродистых сплавах.

Структура сплава с содержанием углерода до 0,025% будет состоять из феррита и третичного цементита, располагающегося по границам зерен феррита и тем самым понижающего пластичность и вязкость стали.

Ферритом называется Fe- или твердый раствор (внедрения) углерода в Fe- . Кристаллическая решетка феррита – пространственно центрированный куб. Максимальная растворимость углерода в Fe- при температуре Т=720⁰С равна 0,025%, а при 0⁰С – 0,006%.

Феррит – почти чистое железо (имеет зернистое строение), обладает магнитными свойствами и является самой пластичной и мягкой составляющей железоуглеродистых сплавов (рис.3.2). Феррит является однородной структурой и на диаграмме состояния занимает область GPQ.

С увеличением содержания углерода более 0,025% в структуре сплава появляется перлит.

 

 

Рис.3.2

Перлит представляет собой механическую смесь, состоящую из мягких пластинок (рис.3.3а) или зерен (рис.3.3б) цементита и феррита.

 

Рис.3.3 Микроструктура эвтектоидных сталей:

а-С=0,8% структура-пластинчатый перлит,б-С=0,8%структура-зернистый перлит.

 

Перлит содержит 0,83% углерода и образуется при температуре 723⁰ из аустенита:

 

Fe (C) Feα (C) + Fe₃C

 

т.е. аустенит превращается в смесь феррита и цементита (двухфазная структура).

 

Пластичный перлит обладает твердостью НВ 200-250, а зернистый перлит – НВ 160-220.

 

Все стали, содержащие углерод от 0,025% до 0,8% состоит из феррита (светлый фон) и перлита (темные зерна) и называются доэвтектоидными (рис.3.4).

Рис.3.4 Микроструктура доэвтектоидных сталей:

А-С=0,15%структура феррит и перлит, б-С=0,35% структура феррит и перлит.

 

С увеличением углерода в доэвтектоидных сталях количество перлита увеличивается, а количество феррита уменьшается пропорционально увеличению углерода.

 

При соотношении площадей, занимаемых в исследованной структуре перлитом и ферритом можно определить содержание углерода в стали. Зная, что в перлите содержится 0,8% углерода, можно подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали. Для этого необходимо определить, какую часть площади занимает перлит, и умножить ее на 0,8.

 

Например, если на просматриваемом поле шлифа перлит занимает примерно ¼ часть общей площади микроструктуры, то содержание углерода в этой стали равно 0,8 х ¼=0,2% С.

 

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2% называются заэвтектоидными, и структура их состоит из перлита и вторичного цементита (рис.3.5).

Рис.3.5 Заэвтектоидная сталь(травление 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты): а-выделение избыточного цементита в виде зерен (х 600),б-выделенин избыточного цементита в виде сетки(х200),в- выделение избыточного цементита в виде (х660).

 

Цементит – это химическое соединение железа с углеродом Fe₃С - карбид железа (однофазная составляющая). Он содержит 6,67% углерода является самой хрупкой и твердой (НВ до 800) структурой железоуглеродистых сплавов.

Вторичный цементит в заэвтектоидной стали обычно расположен в виде светлой сетки или светлых зерен (цепочки) по границам перлитных зерен или в виде игл (рис.3.5б).

В сталях содержащих меньше 0,8% углерода, феррит также может выделиться в виде сетки по границам зерен перлита, и при травлении 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты, эта сетка также получается светлой, чтобы выяснить является эта сетка ферритной или цементитной, микрошлиф подвергают травлению нитратом натрия. Если сетка после травления осталась светлая, то это феррит и, следовательно, сталь является доэвтектоидной; если же сетка потемнела, то цементит, и сталь является заэвтектоидной.

Аустенитом называется твердый раствор (внедрения) углерода в Fe- c кристаллической решеткой гранецентрированного куба.

Максимальная растворимость углерода в гамма-железе при температуре 1147⁰ равна 2,14%.

Аустенит в углеродистой стали устойчив лишь при температуре выше кристаллической точки А_с. Аустенит парамагнитен, вязок, пластичен и обладает меньшим удельным весом, чем феррит. Твердость аустенита при содержании 0,8%С примерно равна 200 единицам по Бринеллю.

На диаграмме состояния аустенит занимает область NIESQ и является однофазной структурной составляющей.

В зависимости от содержания углерода стали, подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Микроструктура углеродистых сталей. Технически чистое железо содержит от 0,01 до 0,15% углерода (рис.3.2) и является двухфазным сплавом, так как при содержании до 0,02% углерода структура технически чистого железа состоит из феррита и третичного цементита. При содержании от 0,02% до 0,15% С структура состоит из феррита и небольшого количества перлита.

Эвтектоидная сталь

При содержании 0,8% С называется эвтектоидной и состоит из одного эвтектоида- перлита.

Перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита, чередующихся между собой, называется пластинчатым (рис.3.3а). Зернистый перлит получают путем длительной выдержки, последнего при температурах около 723⁰С (рис.3.3б). Эвтектоидное строение – равномерность распределения обеих фаз утрачивается и в зернистом перлите. При травлении 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте феррит и цементит окрашиваются в белый цвет. В перлите при изготовлении шлифа цементит, как тело очень твердое, мало сошлифовывается и выступает над ферритом, отбрасывая на него тени, и перлит нам представляется в виде чередующихся темных и светлых полосок.

 

Доэвтектоидные стали

Доэвтектоидные стали, содержат от 0,15 до 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается.

Количество феррита и перлита можно определить по диаграмме пользуясь правилом отрезков, так как отрезки, соответствующие отдельным структурным составляющим, пропорциональны площадям этих составляющих на микрошлифе. Если сталь имеет состав 0,8% углерода, то структура – один перлит, так как 100% площади занято перлитом. Если часть площади занята ферритом (например, 40%), то можно составить пропорцию для определения процента содержания углерода:

 

100% пл. – 0,8%С Х=

40% пл. – Х% С

 

Согласно количеству углерода определяется марка стали. Структуры доэвтектоидных сталей показаны на рис.3.4:

 

Заэвтектоидные стали

Стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, называются заэвтектоидными. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, который может располагаться в виде светлых зерен или светлой сетки, расположенной по границам зерен или в виде игл (рис.3.5).

Количество вторичного цементита в структуре заэвтектоидной стали невелико. Оно повышается с увеличением концентрации в ней углерода и составляет от 3,4% (при С=1%) до 20,4% (при С=2%) от всей массы сплава. Даже небольшое его содержание в структуре заэвтектоидной стали, приводит к значительному повышению ее твердости снижению пластичности по сравнению с эвтектоидной сталью.

Вторичный цементит в заэвтектоидной стали, занимает незначительную по величине площадь, и определить ее на глаз затруднительно, поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, не пользуются. Однако приблизительно содержание углерода в заэвтектоидных сталях определить можно. Например, пусть поля шлифа содержит 90% перлита и 10% вторичного цементита. Зная, что углерод находится как в перлите, так и цементите, составим уравнение для перлита:

 

100% п – 0,8% С Х₁= =0,72% С

90% п – Х₁

 

для цементита:

 

100% ц – 6,67% С Х₂= =0,67% С

10% ц – Х₂

Х_общ. =Х₁ + Х₂= 0,72 + 0,67 = 1,39% С

 

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2% углерода называются чугунами.

 

Начиная с этой концентрации углерода, в структуре сплавов появляется эвтектика. Эвтектике свойственны повышенная хрупкость и сравнительно низкая температура кристаллизации. Поэтому чугуны в отличие от сталей не подвергаются прокатке, ковке, штамповке, хорошо заполняют в жидком состоянии формы.

 

В зависимости от скорости охлаждения, содержания примесей последующей обработки получают чугуны белые, серые и ковкие.

 

БЕЛЫЕ ЧУГУНЫ

 

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита, поэтому этот чугун тверд и хрупок.

 

Согласно диаграмме состояния железо-углерод белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С < 4,3%), эвтектические (С=4,3%) и заэвтектические (С > 4,3%). Структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. На рис.3.6 показана структура доэвтектического белого чугуна. Темные большие участки шлифа-перлит. Участки с точечными темными вкраплениями – эвтектика – ледебурит. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита.

 

 

Рис.3.6 Структура доэвьтктического чугуна с 3,2%С. Травление 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х450)

 

 

На рис.3.7 показана структура эвтектического белого чугуна. Он содержит 100% ледебурита и представляет собой смесь перлита и цементита. Перлит в ледебурите темный, цементит – светлый.

 

 

Рис.3.7 Структура эвтектического чугуна. Травление 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х450)

 

Структура заэвтектического белого чугуна (рис.3.8) при комнатной температуре состоит из первичного цементита, выпавшего из жидкости и ледебурита. Крупные светлые иглы на шлифе – первичный цементит. Участки с точечными темными вкраплениями – ледебурит.

 

Рис.3.8 Структура заэвтектоидного чугуна. Травление4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х300)

 

 

Графит находящийся в чугунах может иметь форму пластин (серые чугуны), шаровидную форму (высокопрочные чугуны) и хлопьевидную форму (ковкие чугуны) рис. 3.9.

 

Рис. 3.9Микроструктуры графита:

А-пластинчатый графит(серые чугуны),б-шаровидный графит(высокопрочные чугуны),в-хлорьевидный графит(ковкие чугуны).

 

СЕРЫЕ ЧУГУНЫ

 

Серые чугуны, как и белые, получаются непосредственно при отливке. Однако охлаждение серого чугуна ведется медленно и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита: Fe₃C Fe (C)+C(графит) при температуре выше 723⁰ и Fe₃C Feα(C)+C(графит) при температуре ниже линии PSK.

Графит выделяется в виде пластин. Чем меньше скорость охлаждения, тем в большей степени успевает произойти процесс графитизации. По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлитоферритный и ферритный чугун. На рис.3.9 показана структура перлитного чугуна. Темные крупные пластинки – графит. Основное поле – пластинчатый перлит. Цементит вторичный и цементит ледебурита распался. Перлитный чугун применяется, например, для изготовления поршневых колец тепловых двигателей.

Рис.3.10 Перлитный серый чугун. Травление 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х250)

 

На рис.3.11 показана структура перлитно-ферритного серого чугуна. Темные крупные завихрения пластинки – графит. Серый фон – пластинчатый перлит. Светлый фон – феррит. Графит и феррит залегают вместе, так как они являются продуктом распада цементита. Цементит перлита частично распался.

 

Рис.3.11 Ферритно-перлитный серый чугун. Травление4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х250)

 

На рис.3.12 показана структура ферритного серого чугуна. Темные крупные пластинки – графит. Основное светлое поле – феррит. Цементит перлита полностью распался.

 

Рис.3.12 Ферритный серый чугун.

 

КОВКИЕ ЧУГУНЫ

 

Ковкий чугун получается из белого чугуна путем вторичной тепловой обработки, т.е. отжига.

На рис.3.13 показана структура ферритного ковкого чугуна.

 

Рис.3.13 Ферритный ковкий чугун.

 

Основной светлый фон – зерна феррита. Темные включения сфероидной формы – графит отжига.

 

На рис. 3.14 показана структура перлитного ковкого чугуна. Основная структура чугуна – перлитная. Темные округленные включения – графит отжига, около которого находится феррит.

 

Рис.3.14 Обезуглероженный ковкий чугун (поверхностный слой –перлит и феррит, сердцевина-перлит,(х200)

 

В последнее время разработан метод получения нового, высокопрочного чугуна с круглым графитом. Структура такого чугуна на (рис.3.15) состоит из перлита и округлого (сфероидного) графита, окруженного небольшими островками феррита.

 

Рис.3.15 Высокопрочный чугун. Травление4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты(х200)

 

Экспериментальная часть.

Зарисовать микроструктуру 6 предложенных образцов стали и чугунов, указать структурные составляющие сплавов. Описать свойства зарисованного сплава.

Выводы по работе.

Необходимо указать основные отличительные свойства различных групп сталей и чугунов.

Вопросы для самопроверки:

1.Указать различие в свойствах железа различной модификации?

2.Начертить наизусть диаграмму состояния сплавов железа с углеродом. Показать на диаграмме линии ликвидуса и солидуса, а так же представить буквенные обозначения и температуры?

3.Пользуясь диаграммой равновесия железо-углерод, указать, какое количество углерода может раствориться в железе - гамма и железе - альфа?

4.По какой кривой изменяется состав аустенита после начала образования феррита?

5.Что такое аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит? Где образуются первичный, вторичный и третичный цементит?

6.Как изменяется положение критических точек А_С1 и А_С3 при введении с таль легирующих элементов?

7.Как получаются, стали аустенитного и перлитного классов?

8.Принцип маркировки легированных сталей?

9.Виды и назначение чугунов?

10.Способы получения высокопрочных чугунов и их отличие от ковких?

11.Чем отличаются, стали марок У7, У7А, 12ХХ, Х12?

Вопросы СРС.

Диаграмма состояния железо-цементит.

Литература.

1.Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977, - 647с.

2.Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989, - 384с.

3. Солнцев Ю.П. Металловедение и технология металлов. М.:Металлур­гия, 1988, - 512с.

4. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. М.:Металлургия, 1986, - 540 с.

5.Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983, - 407с.

6.Лахтин Ю.М., Леонтьева Е.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990, - 528с.

 

Лабораторная работа №2

Тема: МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

 

Цель работы. Изучить микроструктуры, цветных металлов и сплавов и их свойства.

Задание.

1.Рассмотреть классификацию и принцип маркировки сплавов на основе меди, алюминия, олова.

2.Изучить микроструктуру меди и ее сплавов.

3.Изучить микроструктуру алюминия и его сплавов.

4.Установить связь между структурой, термической обработкой и свойствами сплавов.

5. Сделать выводы по работе.