Лабораторная работа № 3
Микроструктурный анализ железоуглеродистых сплавов
Цель работы: Изучить микроструктуры сталей, белых, серых, ковких и
высокопрочных чугунов с различным содержанием угле
рода. Установить связь между структурами и диаграммой
состояния железо-цементит.
Приборы и материалы: Для проведения работы необходимо иметь металлографический микроскоп, набор микрошлифов железа, углеродистых сталей и чугунов
(с различным содержанием углерода).
1 Теоретическая часть
1.1 Микроструктура технического железа
Микроструктура технического железа и углеродистых сталей характеризуется нижней левой части диаграммы состояния Fe-Fe3C (рис. 1.).
Сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом (рисунок 2.) растворимость углерода в -железе переменная (см. линию РQ). С понижением температуры растворимость углерода в -железе понижается. При температуре 7270С в -железе растворяется 0,02 % углерода, а при комнатной температуре 0,006 %. В связи с этим сплавы железа с содержанием углерода до 0,006 % имеют структуру только феррита, т.е. твердого раствора углерода в -железе.
В сплавах с содержанием углерода от 0,006 до 0,02 % в связи с понижением растворимости углерода в -железе при понижении температуры из феррита выделяется цементит, называемый третичным. При комнатной температуре структура таких сплавов состоит из феррита и цементита третичного, который располагается по границам зерен феррита (рисунок 3.). Максимальное количество цементита третичного приблизительно равно 0,3 %. Однако даже столь малое количество цементита третичного сообщает малоуглеродистой стали низкие пластические свойства, т.е. приводит ее к охрупчиванию (из-за расположения вокруг зерен феррита хрупких оболочек).
Для устранения этого явления проводится специальная термическая обработка, в результате которой цементит третичный выделяется в виде дисперсных частиц, равномерно распределенных по всему зерну.
1.2 Микроструктура стали
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % называются сталями. Сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 % назы ваются доэвтектоидными сталями; от 0,8 до 2,14 % - заэвтектоидными. Сплав с содержанием углерода 0,8 % называются эвтектоидной сталью. Микроструктура эвтектоидной стали представляет собой механическую смесь феррита (FeС) и цементита (Fe3С), которая получается в результате распада твердого раствора углерода в - железе - аустенита (FeС) с содержанием углерода 0,8 % при Т = 7270С (см. точку “S” на диаграмме Fe- Fe3С). Такая механическая смесь называется перлитом, т.к. при травлении шлифа эвтектоидной стали, поверхность имеет перламутровый отлив.
Рисунок 3 - Сталь с 0,015 % C – феррит + цементит (третичный):
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Перлитная структура имеет пластинчатый характер при достаточном увеличении в микроскопе видна смесь равномерно распределенных, параллельно расположенных двух фаз: узких полосок цементита и широких феррита. На микроструктуре перлита общий светлый фон представляют собой феррит; темные участки - цементит. В зависимости от скорости охлаждения пластины цементита в перлите могут быть длиннее или короче (рисунок 4.).
Рисунок 4 - Эвтектоидная сталь с 0,8 % С – перлит:
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Микроструктура доэвтектоидной стали (с 0,02 до 0,8 %) состоит из феррита и перлита. Феррит это это почти чистое железо, т.к. в феррите растворяется очень малое количество углерода. Перлит - это эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита.
В доэвтектоидной стали после травления феррит выделяется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (рисунок 5).
Рисунок 5 - Доэвтектоидная сталь с 0,3 % С – феррит – перлит: а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Количество феррита и перлита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается.
По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую ферритом и перлитом. В связи с тем, что в феррите растворено очень незначительное количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите. Тогда содержание углерода в стали можно определить по формуле:
, % ( 1 )
где Fп - площадь, занимаемая перлитом %.
Предположим, например, что половина площади (50 %) занято перлитом, половина ферритом. Содержание углерода в такой стали будет равно
%
Микроструктура заэвтектоидной стали (С = 0,8 - 2,14 %) имеет структуру, состоящую из перлита и цементита вторичного. Вторичный цементит выделяется из аустенита при охлаждении от температуры Аr3 (линия SЕ) до температуры Аr1 ( 7270С ) (см. диаграмму Fe-Fe3С) вследствие понижения растворимости углерода в -железе (Fe).
При медленном охлаждении цементит вторичный выделяется в виде сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аr1 (727) аустенит превращается в перлит.
В результате медленного охлаждения заэвтектоидная сталь имеет структуру перлита и сетки цементита, белая сетка - вторичный цементит, а внутри сетки зерна пластинчатого строения - перлит (рис. 6.). Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка.
Рисунок 6 -Заэвтектоидная сталь с 1,2 % С перлит – цементит (в виде сетки):
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
1.3 Микроструктура чугунов
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % называются чугунами. Чугун отличается от стали по составу - более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, по малой способности к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке).
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида Fe3C;
серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;
высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;
ковкий чугун, в котором весь углерод или значительная его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига). Ковкий чугун получается в результате отжига отливок из белого чугуна.
Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.
1.3.1Микроструктура белых чугунов
В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде цементита (цементит - это химическое соединение углерода с железом, карбид железа Fe3C). Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет.
Белый чугун в зависимости от содержания углерода разделяется на доэвтектический (от 2,14 до 4,3 % С), эвтектический (4,3 % С) и заэвтектический (от 4,3 до 6,67 % С). Во всех белых чугунах имеется ледебурит - это эвтектическая смесь аустенита и цементита, образуется при кристаллизации жидкого сплава с концентрацией углерода в жидкости 4,3 %. (горизонталь ЕСF).
Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледебурита. При температуре 7270С аустенит превращается в перлит (линия РSК). Таким образом, после полного охлаждения ледебурит состоит из цементита и перлита (рисунок 7.). Свойства этого чугуна в основном определяются свойствами цементита, который пронизывает эвтектическую колонию. В связи с этим ледебурит отличается, подобно цементиту, большей твердостью и хрупкостью, не куется и не прокатывается ни в холодном ни в горячем состоянии.
Рисунок 7- Эвтектический белый чугун с 4,3 % С – ледебурит:
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Микроструктура доэвтектического белого чугуна после полной кристаллизации (Т=11470С) имеет структуру: ледебурит-аустенит-цементит вторичный. Вторичный цементит выделяется из аустенита, содержащего при Т = 11470С - 2,14 % С, а при Т = 7270С - 0,8 % С. При полном охлаждении сплава структура состоит из избыточного перлита (бывшего аустенитом), ледебурита превращенного (перлит + цементит) и цементита вторичного.
Микроструктура белого заэвтектического чугуна характерна избыточными кристаллами цементита (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных участок перлита и светлой основы цементита.
1.3.2 Микроструктура серых чугунов
Такое название серый чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. На процессы графитизации чугунов большой влияние оказывает химический состав чугуна и в первую очередь суммарное содержание углерода и кремния. С увеличением последних сложность к графитизации увеличивается. Алюминий, кальций также являются графитизаторами. Скорость охлаждения также существенно влияет на степень графитизации, увеличение скорости охлаждения тормозит графитизацию, т.е. приводит к отбелу чугуна.
В микроструктуре серого чугуна следует различать металлическую основу и графитовые включения.
Металлическая основа в сером чугуне очень сходна с микроструктурой стали, поэтому по строению металлической основы серый чугун подразделяют на:
Серый перлитный чугун (рисунок 8), структура которого состоит из перлита и включения пластинчатого графита. Как известно, перлит содержит 0,8 % С, следовательно, это количество углерода в сером перлитом чугуне находится в связанном состоянии (в виде Fe3C), остальное количество углерода находится в свободном состоянии в виде прожилок графита.
Рисунок 8 - Перлитный серый чугун – перлит + пластинчатый графит:
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Серый ферритно-перлитный чугун (рисунок 9), структура которого состоит из феррита + перлита и включения графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 %.
Рисунок 9 - Ферритно-перлитный серый чугун –
феррит + перлит + пластинчатый графит:
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Серый ферритный чугун (рисунок 10), в котором металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в виде графита.
Рисунок 10 - Ферритный серый чугун – феррит + пластинчатый графит:
а – микроструктура ( х 500 ); б – схема микроструктуры
Из рассмотрения структур указанных трех видов чугуна можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоитдной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитовые включения, предопределяющие специфические свойства чугунов.
1.3.3 Микроструктура ковкого чугуна
Ковкий чугун получают из белого чугуна. Сущность технологического процесса заключается в том, что отливки со структурой белого чугуна подвергаются длительному (30-40 часов) отжигу - томлению при температуре 950 - 10500С. При этой температуре имеющийся в структуре цементит разлагается по реакции Fe3C = Fe + C (графит). В силу особенностей процесса образования графита из твердой фазы он приобретает хлопьевидную форму, что является характерным признаком ковкого чугуна. При рассмотрении в микроскоп (рис. 11 и 12) микрошлифа ковкого чугуна хорошо видны включения хлопьевидного графита (углерода отжига).
Металлическая основа ковкого чугуна также сходна с микроструктурой стали. По строению металлической основы ковкие чугуны подразделяют на: ковкий перлитный, ковкий перлитно-ферритный и ковкий ферритный чугун.
1.3.4 Микроструктура высокопрочного чугуна
Высокопрочный чугун получают при выплавки путем модификации сплава магнием или церием в количестве 0,1-0,2 % от веса жидкого чугуна. Магний или церий оказывает влияние на процесс графитизации, на кристаллизацию графита. Адсорбируясь на поверхности включений графита, эти элементы содействуют образованию включений графита по форме, близкой к форме шара (рисунки 13, 14 и 15)
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются “трещинами” (как пластинчатый графит в сером чугуне). Чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем серый чугун (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом - высокопрочный чугун).
Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном. По металлической основе высокопрочные чугуны могут быть ферритными, ферритно-перлитными, перлитными, т.е. в этом отношении разницы в структуре серого, ковкого и высокопрочного чугунов нет.
1.3.5 Классификация чугуна по структуре металлической основы
и формы графитовых включений
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойства металлической основы, так и от количества и характера графитовых включений.
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитовые включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, с большим количеством пустот и трещин. Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т.е. при одинаковом количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от формы и расположения графита. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.
2 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Задание на лабораторную работу:
2.1.1 Подготовить микрошлифы исследуемых материалов (см. лабораторную работу № 1).
2.1.2. Поместить исследуемый микрошлиф на предметный столик микрографического микроскопа МИМ – 7 и провести соответствующие наблюдения образцов (см. лабораторную работу № 2).
2.1.2 Изучить микроструктуры технического железа, углеродистых сталей и чугунов (белого, серого, ковкого, высокопрочного).
2.1.3 Начертить нижнюю левую и правую части диаграммы состояния железо – цементит, провести на них линии, соответствующие рассматриваемым сплавам и дать описание процессов превращений, происходящих при охлаждении сплавов.
2.1.4 Результаты микроанализов оформить в виде протокола (см. п.2.2.) и составить отчет по работе в соответствии с названными пунктами и сделать выводы.
2.2 Протокол микроанализа сталей и чугунов
|
№ п/п |
Наименование и марка сплава |
Содержание углерода, % |
Микроструктура | |
Зарисовка |
Наименование | |||
|
|
|
|
|
|
Выводы:
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Берштейн М.Л., Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. т.1.- М.: Металлургия, 1991. – 304 с.
2 Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
3 Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
4 Масленников Ф.И. Лабораторный практикум по металловедению. - М.: Машгиз, 1961. – 246 с.
5 Самоходский А.И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. - М.: Машиностроение, 1981. – 174 с.
6 Сидорин И.М. Руководство к лабораторным работам по материаловедению. - М.: Высшая школа, 1967. – 252 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1 Приготовление микрошлифов…………1
Лабораторная работа № 2 Металлографический
микроскоп МИМ - 7 …………………………………………………...11
Лабораторная работа № 3 Микроструктурный анализ
железоуглеродистых сплавов…………………………………………18
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………..30
РЕЦЕНЗИЯ
на методические указания к лабораторным работам
по материаловедению и термообработке
“Микроструктурный анализ сплавов”
(авторы Черных В.М. и Газиев Р.Р.)
Представленные на рецензию методические указания содержат практическую информацию, посвященную вопросам исследования микроструктуры железоуглеродистых сплавов, что необходимо при изучении механических и технологических свойств конструкционных материалов.
В методических указаниях приводится последовательное описание всех лабораторных этапов проведения микроструктурного анализа железоуглеродистых сплавов, включающие в себя подготовку микрошлифов, работу на металлографическом микроскопе и непосредственное исследование микроструктуры сталей и чугунов. По структуре построения методические указания имеют три части в в виде трех лабораторных работ. В каждой части первоначально приводятся теоретические основы по проводимой работе, подробные сведения по применяемым материалам, приборам и оборудованию, а в завершении излагаются практические рекомендации по конкретному выполнению соответствующего задания лабораторной работы и составлению документального отчета.
Методические указания выполнены на хорошем уровне. Текстовая часть написана технически понятным, доступным языком и сопровождаются необходимыми рисунками, изображающими микроструктуру изучаемых сплавов. Указания рекомендуются студентам механических специальностей, изучающим курс материаловедения и термической обработки, а также студентам, занимающимся экспериментальными исследованиями структурно-механических свойств железоуглеродистых сплавов. Кроме того методические указания могут быть полезны инженерно-техническим работникам машиностроительных предприятий.
Рецензент,
Начальник отдела технического контроля
Государственного унитарного предприятия
“Салаватнефтемаш” В.Е. КАЛГАНОВ