Микроструктурный анализ металлов и сплавов

Для изучения строения металлов и сплавов проводят микроскопический анализ. Из исследуемых металлов или сплавов приготавливают шлифы. Для их изготовления отрезают кусочек металла (сплава) и опиливают по поверхности напильником или обрабатывают на абразивном круге. Далее плоскость шлифа шлифуют наждачной бумагой различных номеров, а затем полируют на вращающемся диске, который обтянут сукном и смочен водной взвесью порошка оксида алюминия или оксида хрома. Отполированный шлиф должен иметь зеркальную поверхность, которую для выявления структуры протравливают реактивом (обычно слабые спиртовые растворы кислот). При травлении шлифа в первую очередь растворяются границы между зёрнами.

Для изучения внутреннего строения (структуры) металлов и сплавов используют оптические микроскопы, работающие в отражённом свете. При рассмотрении шлифа под микроскопом видны границы зёрен, различные структурные составляющие и включения.

Строение технически чистых металлов

В окуляре микроскопа при изучении структур технически чистых металлов вследствие однородности химического состава по объёму зёрен наблюдают только протравленные границы.

Если плотность упаковки атомов по различным кристаллографическим плоскостям изменяется мало, то все зёрна окрашены примерно одинаково (Fe, Ni на рис. 2.6, а). В противном случае (Cu на рис 2.6, б) различно ориентированные зёрна существенно отличаются по интенсивности окраски.

Часто на шлифах наблюдаются линии сдвига или двойники.

а) б)

Рис. 2.6. Структуры чистых металлов: технически чистые железо (а) и медь (б)

Р А Б О Т А 3

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Железо с углеродом образует химическое соединение Fe₃C (6,67 % C), называемое цементитом (Ц). Учитывая, что химическое соединение делит диаграмму состояний как бы на независимые диаграммы (см. работу 3), обычно рассматривают не полную диаграмму состояний Fe  C, а только её часть до 6,67 % С.

Рис. 3.1. Кривая охлаждения технически чистого железа

Технически чистое железо (рис. 5.1) полиморфно и имеет четыре критические точки: 1539 С  точка кристаллизации; 1392 С  температура, при которой происходит перекристаллизация из Fe в Fe, т. е. перестройка кристаллической решётки из объёмноцентрированного куба в гранецентрированный куб; 911 С  температура перекристаллизации Fe в Fe, т. е. перестройка решётки из гранецентрированного куба в объемноцентрированный; при 768 С изменяются магнитные свойства железа с сохранением решётки объемноцентрированного куба. Ниже 768 С железо магнитно, выше 768 С  немагнитно. Плотность упаковки кристаллической решётки Fe больше, чем Fe. Вследствие этого превращение Fe  Fe происходит с увеличением объёма, что приводит к возникновению внутренних структурных напряжений.

На рис. 3.2 приведена упрощённая диаграмма состояний Fe  C (без детального изображения левого верхнего угла). По оси абсцисс отложено процентное содержание углерода. Линия АСD линия ликвидус, АЕСF  линия солидус.

Для фаз и структурных составляющих сплавов железа с углеродом общеприняты следующие названия:

Л1(А+Ц) Л2(П+Ц) АП(Ф+Ц) стали чугуны

Доэвтектоидные эвтектектоидная Заэвтектектоидные Fe3C (Цементит) –хим. Соед. Железа с углеродом

1147 ^оС: Мех. смесь из жидкости – наз эвтектика из А+Ц = Ледебурит 1 (А+Ц)

727 ^оС: Мех. смесь из аустенита – наз эвтектоид из Ф+Ц = Перлит Ледебурит 2 (П+Ц)

Рис. 3.2 Упрощённая диаграмма состояний Fe  C

Сплав II	Сплав III	Сплав IV
Доэвтектоидная – Ф+П (Ф+Ц) Сталь 40	Эвтектоидная – П- У8	Заэвтектоидная – П+ЦII У9

100%П- 0,8%С

50%П+50%Ф-0,4%С

25%П+75%Ф-0,2%С

Рис. 3.3. Структура углеродистых сталей

Сплав V	Сплав VI	Сплав VII
Доэвтектический – П+Л2+ЦII	эвтектический	Заэвтектический

Рис. 3.4. Структура белых чугунов

аустенит  ограниченный твёрдый раствор углерода в Fe_ (в ГЦК-решетке);

феррит  ограниченный твёрдый раствор углерода в Fe_ (в ОЦК-решетке);

перлит  эвтектоид (образуется из твердого аустенита), состоящий из чередующихся пластинок цементита в феррите;

ледебурит  эвтектика (механическая смесь, образовавшаяся из жидкости при температуре 1147°С, называется Л₁(А+Ц)  эвтектика из аустенита и цементита; из твердого (вместо Л1) Л₂ (П+Ц)  эвтектика из перлита и цементита, в которой А превращается в перлит.

Технически чистое железо имеет следующие механические характеристики:

_В  300 МПа  временное сопротивление разрыву;

_0,2  150 МПа  предел текучести при растяжении;

  50 %  относительное удлинение;

  75 %  относительное сужение;

KCU  300 Дж/см²  ударная вязкость;

HB  800 МПа  твёрдость по Бринеллю.

Второй фазой изучаемой диаграммы является карбид железа  цементит (Fe₃С). Он обладает высокой твёрдостью (HV 8000 МПа) и хрупкостью.

Для расшифровки диаграммы состояний Fe  C необходимо рассмотреть превращения при охлаждении последовательно в сплавах I, III, II, IV, VI, V и VII.

Рассмотрим превращения в сплаве I:

температура t₂  начало кристаллизации аустенита. В интервале температур t₂t₃ cуществуют две фазы (ж. р. + А);

температура t₃  полностью заканчивается кристаллизация аустенита; в интервале температур t₃t₄ аустенит охлаждается без образования новых фаз;

температура t₄  начало кристаллизации феррита, которая заканчивается при температуре t₅;

температура t₆  начало кристаллизации Ц_III.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями (рис. 3.3). Сплавы с содержанием углерода свыше 2,14 % называют чугунами (рис. 3.4).

По структуре стали делят на:

1) доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % C;

2) эвтектоидные  0,8 % С;

3) заэвтектоидные  от 0,8 до 2,14 % C.

По назначению различают:

1) конструкционные стали ( до 0,6 % С);

2) рессорно-пружинные (0,60,8 % С);

3) инструментальные (0,7 и более процентов углерода).

По содержанию углерода стали подразделяют:

на малоуглеродистые (содержат до 0,25 % С);

среднеуглеродистые (0,250,6 % С);

высокоуглеродистые  свыше 0,6 % С.

Конструкционные стали разделяют на две группы по качеству (в соответствии с содержанием вредных примесей  серы и фосфора):

а) сталь углеродистая обыкновенного качества, (ГОСТ 380-94) следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст4кп,Ст4пс,Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст6пс, Ст6сп. Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава (чем больше номер, тем больше в стали углерода и ниже пластичность), буквы кп, пс, сп – степень раскисления (кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная). Прокат из этих сталей, в зависимости от нормируемых показателей, подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Прокат категории 1 поставляют по механическим характеристикам, 2 –6 — по механическим характеристикам и химическому составу, для категорий 3-6 дополнительно регламентируют ударную вязкость. Номер категории добавляют к обозначению марки стали, например, Ст3пс1, Ст5сп2 (ГОСТ 535-88, 16523-97 и др.);

б) сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-74). Поставляют стали марок: сталь 05, 08, 10, 15, 20,25,30,35,40,45,50, 55, 60.

Рессорно-пружинные стали поставляют по ГОСТ 14959-79 следующих марок: сталь 65, 70, 75, 85. Цифры в маркировке означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Сталь 20 – 0,2%C

Сталь 40 - 0,4%С

У8 – 0,8%С

Сталь инструментальную углеродистую (ГОСТ 1435-90) поставляют двух групп по качеству:

- качественные марок У7, У8  У13;

- высококачественные, более чистые по содержанию серы и фосфора, марок У7А, У8А  У13А.

Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У  углеродистая, следующая за ней цифра  среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Критические точки на диаграмме состояний Fe  Fe₃C имеют общепринятое международное обозначение (см. таблицу 5.1).

Таблица 5.1.