Контрольные вопросы

1. Что называется микрошлифом?

2. Как и в зависимости от чего выбирается место выреза образца для приготовления микрошлифа?

3. Какие операции необходимы для приготовления микрошлифа?

4. Как осуществляется шлифование шлифа?

5. Для чего применяют травление шлифа?

6. Как определяется общее увеличение микроскопа?

7. Как определяется цена деления окуляра?

8. Как влияет величина кристаллического зерна на свойства металлов и сплавов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ. МИКРОСТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ.

Цель работы: изучить структурные составляющие и диаграмму железоуглеродистых сплавов, изучить микроструктуру углеродистых сталей и чугунов, освоить классификацию и назначение сталей и чугунов.

ЗАДАНИЕ

1. Изучить составляющие структуры железоуглеродистых сплавов; диа­грамму состояния железоуглеродистых сплавов.

2. Изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтек- тоидных сталей, доэвтектических, эвтектических и заэвтектических чугунов; микроструктуру серых, ковких и высокопрочных чугунов.

3. Освоить классификацию сталей и чугунов, свойства и области применения.

Теоретические сведения

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, назы­ваются сталями, а свыше 2,14% -чугунами.

Вследствие аллотропических свойств компонентов железоуглероди­стых сплавов (железа и углерода) в этих сплавах происходят структурные превращения не только при первичной кристаллизации, но и в твердом виде - при вторичной кристаллизации. Это приводит к изменениям физико-механических свойств железоуглеродистых сплавов под действием, времени, температур, нагрузок, что характерно при эксплуатации деталей, из этих сплавов

В зависимости от содержания углерода, температур и других эксплуа­тационных условий в железоуглеродистых сплавах образуются различные структуры. Ниже приводятся основные структурные составляющие железо­углеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в a-железо, имеющее кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба. Атом уг­лерода располагается в решетке a-железа в центре грани куба, а также в ва­кансиях, на дислокациях н т.д. Максимальное содержание углерода-0,025% при t=727°C, при комнатной температуре - 0,008%. Микроструктура зерни­стая - темная сетка по границам светлых зерен. Имеет высокую пластич­ность, вязкость и магнитные свойства, достаточно низкую прочность, твер­дость 80-90 НВ (рис. 1).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железо, имеющее кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Атом углеро­да в решетке γ-железа располагается в центре куба и в дефектных областях кристалла. При t=1147°C содержит 2,14% углерода. а при 727°С- 0,8%. Микроструктура - однородные зерна с двойниками - часть основного зерна в плоскости шлифа, ограниченная двумя параллельными зернами. Немагни­тен, очень пластичен, вязок, имеет среднюю прочность, твердость 170-220 НВ (рис.4.2).

Рисунок 1 – Микроструктура феррита

Рисунок 2 – Микроструктура аустенита

Перлит - механическая микросмесь феррита и цементита. Может быть пластинчатым, если пластинки цементита расположены в ферритной основе или зернистым, если цементит представляет собой микроскопиче­ские зерна (рис. 3 и 4). Это зависит от деформации структуры цементита(рис. 5). Перлит - эвтектоид (равновесная смесь феррита и цементита); содержит 0,8% углерода; имеет средние прочность и пластичность, твер­дость 200-250 НВ.

Рисунок 3 – Микроструктура пластинчатого перлита

Рисунок 4 – Микроструктура зернистого перлита

Цементит - химическое соединение –Fe₃С, содержащее 6,67% С. В за­висимости от деформации строения структуры (рис. 5) может присутство­вать в структурах сталей и чугунов в виде пластин, игл или зерен (рис.4.6 и 4.7). Имеет очень высокую прочность, твердость 800 НВ, износоустойчив, очень хрупок.

Ледебурит - механическая микросмесь аустенита и цементита (выше 727 °С) и цементита и перлита (ниже 727°С). Ледебурит - эвтектика; содер­жание углерода в ледебурите 4,3 %. Микроструктура состоит из светлой цементитной основы с темными округлыми выделениями перлита (рис.8), имеет высокую прочность, твердость 500 НВ, хрупок.

Рисунок 5 – Строение структуры цементита

Рисунок 6 – Микроструктура сетчатого цементита

Рисунок 7 – Микроструктура игольчатого цементита

Рисунок 8 - Микроструктура ледебурита

Графит - одна из кристаллических разновидностей углерода (гекса­гональная слоистая решетка), встречающихся в основном в чугунах. В серых чугунах он бывает в виде изогнутых пластин - (лепестков). В результате структурных превращений графит может принимать различные аллотропи­ческие формы - шарообразные, хлопьевидные или фуллеренные (фуллерены - открытая в конце 80-х годов аллотропическая форма углерода, представ­ляющая структуру из пятиугольников и шестиугольников в виде футбольно­го мяча). Более подробно они будут рассмотрены при изучении чугунов (рис. 9). Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов пред­ставлены в табл. 1.

Рисунок 9 - Микроструктура пластинчатого графита

Таблица 1 - Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Название структуры	Тип структуры	Число фаз	Содержание С,%	Свойства
Феррит	Твердый раствор С в α–железе	1	От 0,006 до 0,0025	Пластичен, непрочен, НВ 80-100 Ферромагнитен
Аустенит	Твердый раствор С в γ–железе	1	До 2,14	Очень пластичен, парамагнитен, НВ 170-220
Цементит	Fe3C	1	6,67	Очень хрупок, прочен, износоустойчив, НВ 800
Перлит	Смесь феррита и цементита	2	0,8	Средняя прочность и пластичность НВ 200-250
Ледебурит	Смесь аустенита и цементита (выше 727°C) и перлита и цементита (ниже 727°С)	2	4,3	Хрупок, НВ 500

Диаграмма железоуглеродистых сплавов, отражающая структурные превращения при различных температурах и различном процентном содержании углерода, представляет собой графическое изображение критических температур в зависимости от % содержания углерода. Оно охватывает сплавы, содержащие углерод от 0 до 6,67%.

Диаграмма является научным фундаментом для изучения сталей и чугунов и имеет как теоретическое, так и большое практическое значение.

Диаграмма строится так же, как все диаграммы состояния сплавов по кривым охлаждения (рис. 10)

Рисунок 10 - Часть диаграммы состояния Fe-C (первичная кристаллизация высокоуглеродистых сплавов

Существуют две диаграммы: “ железо- цементит” и “ железо - угле­род” Но наиболее практична первая диаграмма, подчеркивающая роль це­ментита в образовании структур железоуглеродистых сплавов (рис. 11).

Рисунок 11 - Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

На диаграмме по горизонтальной оси отложено %-ое содержание уг­лерода, по вертикальной - температура сплава. Линия ABCD (ликвидус) по­казывает температуру начала кристаллизации сплавов. Из жидкого раствора выделяются по линии АВ - феррит (Ф), JBC - аустенит (A), CD - цементит первичный (Ц).

AHJECF (солидус) - линия температур конца кристаллизации сплава. Между линиями NJE и GSE сплавы состоят из аустенита. По линии ECF из жидкости состава точки С образуется эвтектика - ледебурит:

Ж_с → Л (А_е + Ц).

GSE - линия температур начала вторичной кристаллизации (распада аустенита). Линия GS показывает температуру начала выделения из аусте­нита феррита; линия SE соответствует температуре начала выделения из ау­стенита цементита вторичного (Ц_II). GPQ и PSK - линии температур конца перекристаллизации. PSK (727°С) - температура эвтектоидного превраще­ния: из аустенита, концентрации 0,8% С, образуется эвтектоид - перлит (П):

A_s → П (Ф_р + Ц_II).

Сплавы, содержащие до 0,8%С, называются доэвтектоидными (структура феррит и перлит); сплав, содержащий 0,8%С, называется эвтектоидным (структура перлит); сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14%С, назы­ваются заэвтектоидными (структура перлит и цементит вторичный ).

В сплавах, содержащих свыше 2,14%С ниже линии ЕС сплав состоит из аустенита, ледебурита и вторичного цементита. При дальнейшем охлаж­дении при достижении линии Е’С’ аустенит при постоянной температуре (727 °С) превращается в перлит Поэтому структура сплавов состава от 2,14 до 4,3%С ниже линии Е’С' состоит из перлита, вторичного цементита и ле­дебурита. Это - доэвтектические сплавы (чугуны). При содержании 4,3%С сплав имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим. Структура сплавов, содержащих, свыше 4,3%С, состоит из цементита первичного и ле­дебурита, они называются заэвтектическими.

При изучении диаграммы железо - цементит принято обозначать кри­тические температуры буквой А с указанием цифровым индексом вида ал­лотропического превращения. Перец цифрой при охлаждении сплава ставят букву г, а при нагреве - с. Например, превращения по линии GS- Ac₃ и Аr₃, по линии PSK – Ас₁, и Аr₁, по линии SE –А_ст.