Министерство сельского хозяйства рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный аграрный университет северного зауралья»

Механико-технологический институт

Кафедра СХиММ

Методические указания

к проведению

Лабораторной работы № 7

по курсу:

“Материаловедение”

Тема: «Микроскопический анализ железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в равновесном состоянии»

для направления 110800 «Агроинженерия» профиль «Технология деревообработки», «Электрооборудование и электротехнологии АПК», «Эемлеустройство и кадастры», «Кадастр недвижимости»

дневной и заочной форм обучения

Тюмень 2013

Утверждено редакционно-издательским советом

«Государственный аграрный университет северного зауралья»

Составитель: к.п.н., доцент А.В. Головкин

«Государственный аграрный университет северного зауралья»

2013

1. Общие положения

Современное машиностроение является основным потребителем производимых в нашей стране металлов. В станкостроении, судостроении, автомобильной и авиационной промышленности, электронике и радиотехнике из металлов изготовляют огромное число деталей машин и при­боров.

В Основных направлениях экономического и со­циального развития России на 2005—2010 гг. и на период до 2020 г. подчеркнута необходимость обеспечения дальнейшего ускорения научно-тех­нического прогресса благодаря созданию и внед­рению в производство принципиально новой тех­ники, материалов и прогрессивных технологичес­ких процессов.

Наряду с приобретением практиче­ских навыков по избранной специальности изу­чение основ материаловедения позволит студентам повысить теоретическую подготовку, стать квалифицированными специалистами и принять актив­ное участие в дальнейшем совершенствовании производственных процессов, повышении эффек­тивности производства и улучшении качества вы­пускаемой продукции.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Закрепить теоретические положения разделов дисциплины: «Материаловедение», привить навыки в пользовании справочным материалом, ознакомить студентов с основными типами расчетов.

3. Содержание работы

1. Изучить основные понятия.

2. Изучить методику расчетов.

4. Материальное обеспечение

4.1. Методические указания.

2. Задание (приложения).

4.3. Справочный материал.

5. Организация работы

Группа студентов в составе 25 – 30 человек изучает под руководством преподавателя вопросы, входящие в содержание работы.

Цель работы

Цель работы - научить учащихся самостоятельно проводить микроанализ железа, углеродистой стали и белых чугунов в равновесном состоянии. В процессе выполнения работы учащиеся должны изучить: структуры железа, углеродистых сталей и белых чугунов в связи с диаграммой состояния железо - углерод; порядок определения содержания углерода в доэвтектоидной стали по её микроструктуре.

Задание

1. Изучить микроструктуры технического железа, углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии.

2. Схематически зарисовать и описать изучаемые микроструктуры.

3. Разобрать микроструктуры по диаграмме состояния железо - углерод.

4. Составить отчёт о работе.

Приборы, материалы инструменты

Для проведения работы надо иметь: металлографический микроскоп; набор микрошлифов железа, углеродистых сталей и белых чугунов (с различным содержанием углерода) в равновесном состоянии, циркуль и линейку.

Структурные составляющие.

Феррит — твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в -железе (рис. 1, а) — мягкая, пластичная и недостаточно прочная структурная составляющая. Его относительное удлинение равно 30 %, твердость — 50-80 НВ, предел прочности = 300 МПа (30 кгс/мм²). Практически это чистое железо. Механические свойства феррита в большой степени зависят от размеров зерен. Феррит обладает магнитными свойствами (до температуры 768 °С).

Цементит — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа (рис. 1, б—г). Он содержит 93,33 % железа и 6,67 % углерода. Отличается большой твердостью (800 НВ, т. е. в 10 раз тверже феррита) и значительной хрупкостью. Цементит слабо магнитен, а при температурах выше 215 °С — немагнитен. Углерод может проникать в железо двумя способами. Атомы углерода могут занимать в пространственной решетке свободные места между атомами железа. Однако при комнатной температуре в пространственной решетке железа может поместиться всего 0,0001 % углерода. Остальные атомы углерода проникают в железо другим путем — вступают с ним в химическую связь. При этом образуется карбид железа Fe₃C (цементит), состоящий из трех атомов железа и одного атома углерода. Первичный цементит образуется в результате первичной кристаллизации. Вторичный цементит в результате- вторичной кристаллизации.

Перлит – это механическая смесь состоящая из феррита и цементита. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф ее при травлении имеет перламутровый отлив. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом (в отличие от эвтектики). Образование перлита происходит при температуре 727°С в нем содержится 0,8 % углерода.

Пластинчатый перлит - цементит в перлите расположен в виде пластинок.

Зернистый перлит - цементит расположен в виде зерен.

Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем мягкий феррит. После травления можно наблюдать темные участки перлита в сочетании с ферритом или цементитом. Свойства перлита определяются количеством составляющих (феррита и цементита). Содержание феррита в перлите в шесть раз больше, чем цементита. Механические свойства перлита зависят также от формы цементита. У пластинчатого перлита твердость составляет 180-200 НВ, предел прочности =800 МПа (80 кгс/мм²), относительное удлинение . У зернистого перлита прочность и твердость несколько ниже, а пластические свойства выше. Так как перлит содержит -железо, он обладает магнитными свойствами.

Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение -железа в -железо и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.

Аустенит - представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в -железе (рис.1, д). Способность углерода растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре 1147 °С и выше в кристаллической решетке -железа может раствориться максимальное количество углерода (2,14 %). При температурах ниже 1147 °С растворимость углерода в -железе постепенно уменьшается, а избыточный углерод выделяется в виде цементита. При 727 °С -железо может растворять не более 0,8 % углерода. При этой температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Лишь в некоторых сталях, содержащих большое количество никеля или марганца, структура аустенита может сохраниться и при температурах ниже 727 °С (вплоть до комнатной). Аустенит — мягкая структурная составляющая (хотя и тверже феррита). Его твердость 180 НВ, относительное удлинение δ = 40 - 50 %. Он отличается большой пластичностью, магнитными свойствами не обладает.

Ледобурит - это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен, аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации (рис.1, е). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. Он образуется при температуре 1147 °С. Первоначальная структура его не сохраняется при температурах ниже 727 °С, так как содержащийся в нем аустенит при 727 °С превращается в перлит. При температурах ниже 727 °С (вплоть до комнатной) ледебурит представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Ледебурит отличается большой твердостью (550 НВ) и хрупкостью.

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей для равновесных условий характеризуются нижней левой частью диаграммы состояния железо - углерод. Сплавы с содержанием до 0,02% С называют техническим железом, от 0,02 до 0,08% С -доэвтектоидными сталями и от 0,8 до 2,14% С - заэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8% С называются эвтектоидной сталью.

Микроструктура технического железа. Растворимость углерода в α - железа переменная (см. линию РQ на диаграмме железа - углерод). С понижением температуры растворимость

углерода α - железе понижается. При 727⁰С в α - железе растворяется 0,02% С, а при комнатной температуре 0,006% С. Поэтому сплавы железа с содержанием 0,006% С имеют структуру только твёрдого раствора углерода в α - железе, т.е. феррита. В сплавах содержанием от 0,006% до 0,2.% С в связи с понижением растворимости углерода в α - железе при понижении температуры из феррита выделяется цементит, называется третичным. Третичный цементит выделяется по границам зерен феррита.

Микроструктура доэвтектоидной и эвтектоидной стали.

Микроструктура доэвтектоидной стали (до 0,8% С), температуре до 727⁰С состоит из феррита и перлита. Микроструктура эвтектоиднои стали (0,8% С), температуре до 727⁰С состоит из одного перлита. При травлении шлифа стали с 0,8% С, т.е. эвтектоиднои стали, поверхность имеет перламутровый отлив, в связи чем такую структуру и назвали перлитом. После травления 4% - ной азотной кислотой в спирте на шлифе получается микрорельеф. Это объясняется тем, что феррит с меньшим электрохимическим потенциалом, чем цементит, более интенсивно растворяется в кислоте, а цементит слабее. Кроме того, интенсивно растравливаются границы между цементитом и ферритом. Поэтому падающий в микроскопе на микрошлиф свет будет давать тени от выступов (цементитных пластин) на углубленные места (феррит). На микроструктуре перлита общий светлый фон - феррит, выступающие пластины - цементит, тёмные места - тени. В зависимости от скорости охлаждения пластины цементита в перлите могут быть длиннее или короче и толще или тоньше. В доэвтектоидной стали после травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит - в виде полей полосчатого строения, более тёмных, чем феррит. Чем больше увеличение при рассмотрении структуры в микроскоп, тем более отчетливо видно полосчатое строение перлита. При малых увеличениях перлит выявляется в виде тёмных зерен, и полосчатого строения не видно. Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается.

Микроструктура заэвтектоидиой стали.

Сталь с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%, температуре до 727⁰С называется заэвтектоидной и имеет структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит выделяется из аустенита при охлаждения от температуры А_ст (линия SЕ) до температуры А₁ (линия РSК) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяются в виде сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры А₁ аустенит превращается в перлит. В результате медленного охлаждения заэвтектоидная сталь имеет структуру перлита и сетку цементита. белая сетка - вторичный цементит, а внутри сетки зерна пластинчатого строения - перлит. Вторичный цементит достаточно отчетливо выделяется при обычном травлении в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. В сталях, содержащих несколько меньше 0,8% С, феррит также может выделятся в виде сетки по границам зерен перлита; эта сетка при травлении этим реактивом также получается светлой. Если вызывает сомнение, является ли сталь доэвтектоиднои или заэвтектоидной, т.е. является ли светлая сетка ферритной или цементитной, прибегают к контрольному травлению пикратом натрия. Для этого шлиф снова полируют и затем травят пикратом натрия. Пикрат натрия окрашивает цементит в темно - коричневый цвет. Поэтому, если сетка после травления пикратом натрия осталась светлой, значит это феррит и сталь доэвтектоидная; если сетка стала темной, значит это цементит и сталь заэвтектоидная. Микроструктура заэвтектоидной стали после травления пикратом натрия. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка.

Микроструктура белых чугунов.

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде цементита. 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 эвтектика (ледебурит). Эвтектический белый чугун состоит только из одного ледебурита, поэтому рассмотрение структуры белого чугуна целесообразно начинать со структуры эвтектического белого чугуна.

Микроструктура эвтектического белого чугуна.

Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледобурита, образующегося при 1147° С при эвтектической кристаллизации жидкого сплава с содержанием 4,3% С. При последующем охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (ниже эвтектической линии ЕСF на диаграмме железо-углерод) из аустенита выделяется (как и в довтектондных сталях) вторичный цементит. Вторичный цементит сливается с цементитом эвтектическим, поэтому в структуре эвтектики невозможно указать, где находится в отдельности эвтектический цементит и вторичный цементит. При 727⁰С эвтектика состоит из цементита (эвтектического и вторичного) и аустенита. При этой температуре аустенит превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебурит (эвтектика) представляет механическую смесь цементита и перлита.

Микроструктура доэвтектического белого чугуна.

Микроструктура доэтектического белого чугуна при температуре от 1147⁰С до 727⁰С состоит из ледебурита (аустенит + цементит) + аустенит + вторичного цементита. Дозвтектическии белый чугун после полного охлаждения ниже 727⁰С имеет следующую структуру: ледебурит (перлит +цементит)+перлит + вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется из аустенита в результате вторичной кристаллизации. В белых чугунах с низким содержанием углерода (близким к 2,14%) вторичный цементит выявляется достаточно отчётливо, так как в таких чугунах мало ледебурита. С увеличением содержания углерода, когда ледебурита становится относительно много, вторичный цементит в структуре сливается с цементитом ледебурита (эвтектическим).

Микроструктура заэвтектического белого чугуна.

Микроструктура заэвтектического белого чугуна при температуре от 1147⁰С до 727⁰С состоит из ледебурита (аустенит + цементит) и первичного цементита. А при температуре ниже 727⁰С – ледобурит(перлит+цементит)+цементит первичный.

Рисунок 1. Микроструктуры железоуглеродистых сплавов.

а — зерна феррита; б — светлые пластины цементита в заэвтектическом белом чугуне; в — зернистый перлит, зерна цементита; г — пластинчатый перлит, пластины цементита; д — зерна аустенита, установленные методом окисления при 925 °С; е — ледебурит эвтектического белого чугуна

Рисунок 2. Микроструктуры сталей с различным содержанием углерода (%): доэвтеклидные (а—г):

а — 0,05 (светлое — феррит, темное — перлит); б — 0,25 (феррит плюс перлит); в — 0,5 (феррит плюс перлит); г — 0,7 (перлит плюс ферритная сетка); эвтектоидная (д) — 0,8 (пластинчатый перлит); заэвтектоидная (е) — 1,2 (перлит плюс цементитная сетка)

Методика микроанализа

1. Просмотреть и изучить при увеличениях от 200 до 600 раз микроструктуры технического железа, углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии.

2. Каждую микроструктуру зарисовать в кругах диаметром 60мм или в квадратах размером 60×60мм.

3. Под каждой зарисованной микроструктурой дать опись с указанным наименованием сплава, его химического состава, наименование структуры и увеличения.

4. На каждой зарисованной микроструктуре указать стрелками различные фазы и структурные составляющие и около стрелок, на полях, написать их наименование.

5. Изобразить диаграмму состояния железо - углерод, провести на ней вертикальные линии, соответствующие рассматриваемым сплавам, и дать описание процессов превращений, происходящих при охлаждении.

Составление отчета.

Отчёт о проведённой работе должен содержать следующее:

1. Цель работы

2. Рисунки микроструктуры с соответствующим пояснением (пример зарисовки микроструктуры)

3. Диаграмму состояния железо - углерод с указанием на ней рассматриваемых сплавов и описанием происходящих процессов превращений при охлаждении.

Критерии оценки работы.

Определяются в соответствии с рейтинговой оценкой знаний студентов в зависимости от направления подготовки.