2. Порядок выполнения работы

1. Нарисовать диаграмму состояния системы железо - цементит.

2. Нанести на нее вертикальные линии, соответствующие доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектическом чугуну. Дать описание превращений, происходящих при охлаждении этих чугунов.

3. На готовых шлифах, взятых из коллекции, а также по фотографиям изучить микроструктуры рассматриваемых чугунов.

4. Зарисовать микроструктуру белых чугунов, указать на рисунках структурные составляющие.

5. Нарисовать диаграмму состояния системы железо-графит. Нанести на нее линию, соответствующую доэвтектическому чугуну, и дать описание процессов превращений, происходящих в нем при охлаждении.

6. Изучить и зарисовать микроструктуру серого, половинчатого, высокопрочного и ковкого чугунов на готовых шлифах и по фотографиям микроструктур. Указать на рисунках структурные составляющие.

7. Охарактеризовать условия образования структурных составляющих.

3. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы

2. Цель работы

3. Диаграммы состояния систем железо- цементит и железо-графит.

4. Рисунки микроструктур белого, серого, половинчатого, высокопрочного и ковкого чугунов с указанием структурных составляющих.

4. Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами?

2. Какое содержание углерода в эвтектическом белом чугуне?

3. Из каких фаз состоит ледебурит?

4. Чем отличаются белые чугуны от серых?

5. Какая металлическая основа может быть в серых чугунах?

6. Как получают высокопрочные чугуны?

7. Какую форму имеет графит в ковком чугуне?

Лабораторная работа №4

Исправление структуры литой и перегретой стали

Цель работы – научиться выбирать температуру нагрева для исправления крупнозернистой видманштеттовой структуры литой или перегретой стали и получения мелкозернистой структуры.

Задачи:

- изучить фазовые превращения, происходящие в углеродистых сталях при нагреве;

- изучить микроструктуру литой и перегретой стали;

- изучить влияние температуры нагрева на размер зерна стали.

Материально-техническое оснащение:

- металлографический микроскоп;

- коллекция микрошлифов стали;

- диаграмма состояния системы железо-цементит;

- альбом фотографий микроструктур.

1. Теоретическая часть

Одним из многих факторов, влияющим на свойства готовых изделий, является величина зерна в сталях. Крупное зерно аустенита отрицательно влияет на механические и некоторые технологические свойства стали.

Крупные зерна чаще всего встречаются в литой стали, где величина зерен может доходить до нескольких сантиметров. Это получается при формировании зерна аустенитной литой стали в процессе кристаллизации из жидкого состояния. Перегрев жидкого металла и малые скорости охлаждения при кристаллизации способствуют образованию крупных зерен.

Крупные зерна аустенита могут образоваться в определенных условиях при термической обработке металлов, когда металл нагревают до очень высоких температур в области аустенита и дают длительную выдержку при этих температурах (цементация, отжиг, нагрев под горячую пластическую деформацию).

Согласно второму закону термодинамики, всякое тело стремится к наименьшему запасу поверхностной энергии. Мелкие зерна обладают большим запасом свободной энергии, чем крупные, поэтому они термодинамически неустойчивы и при подходящих условиях стремятся вырасти в крупные зерна за счет более мелких.

В перегретой стали избыточный феррит (цементит) выделяется в виде сетки по границам зерен в виде длинных пластин (игл), прорезающих зерна перлита (рисунок 4.1). В последнем случае структура называется видманштеттова. Сталь с такой структурой обладает очень низкими пластическими и вязкими свойствами, т.е. склонна к хрупкому разрушению.

Для повышения механических свойств проводят термическую обработку (полный отжиг или нормализацию).

Рассмотрим, что происходит при нагреве перегретой доэвтектоидной стали.

При температуре 727˚С (рисунок 4.1), соответствующей линии PSK (точка А_С1)в перлите (в местах контакта фаз феррита и цементита) образуется новая фаза – аустенит. В процессе фазовой перекристаллизации перлита образуется мелкозернистый аустенит.

При дальнейшем нагреве от температуры А_С1 до А_С3 (между линиями PSK и GS) избыточный феррит (не входящий в состав перлита) превращается в аустенит. В точке А_С3 этот процесс заканчивается, и образуется мелкозернистый аустенит по всему объему стали.

Следует заметить, что при непрерывном нагреве температурные интервалы превращений смещаются вверх относительно равновесных. Смещение происходит тем в большей мере, чем сильнее отличаются реальные скорости нагрева от теоретически медленных. Поэтому для исправления структуры крупнозернистой стали ее необходимо нагреть на 30 – 50 ˚С выше точки А_С3, и в результате фазового превращения получится мелкозернистая структура аустенита.

После выдержки сталь охлаждают. При охлаждении мелкозернистый аустенит снова превращается в феррит и перлит. Размер зерна, образовавшегося при нагреве, в процессе охлаждения не изменяется. После такой термической обработки излом получается мелкозернистым, и следы ранее существовавшего перегрева исчезают (рисунок 4.2). Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры межкритического интервала (выше А_С1, но ниже А_С3), то целиком исправить структуру нельзя, так как фазовая перекристаллизация будет неполной. После медленного охлаждения такой стали в структуре сохраняются грубые участки нерастворившегося при нагреве феррита, что ухудшает свойства стали.

Если сталь нагреть на 200 – 250 ˚С выше точки А_С3, то в процессе нагрева и выдержки при таких высоких температурах будет происходить рост вновь образовавшихся мелких зерен аустенита, поэтому структура не исправится.

Рисунок 4.1 – Микроструктура перегретой стали.

Рисунок 4.2 – Микроструктура стали после нормализации