Лабораторная работа № 2 микроанализ стали и чугуна

Цель работы:

1. Изучение методики микроскопического анализа металлов и сплавов, приобретение практических навыков металлогра­фических исследований.

2. Изучение микроструктуры углеродистых сталей и чугунов.

Оборудование и материалы: металлографический микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей и чугунов.

Задание

1. Изучить теоретическую часть.

2. Ознакомьтесь с устройством и работой металлографического ми­кроскопа.

3. Определите общее увеличение микроскопа с заданными объективом и окуляром.

4. Исследуйте под микроскопом шлифы углеродистых сталей и чугунов, сделайте схематические зарисовки наблюдаемых струк­тур.

5. Объясните все превращения в исследуемых сплавах, протекающие при их охлаждении из жидкого состояния до комнатной температу­ры.

6. Составить отчет по работе.

Металлографическое исследование микроструктуры металлов и сплавов проводится с помощью микроскопов. Оптические микроскопы обеспечивают увеличение до 2000 раз при разрешающей способности 0,2·10 ^-3 мм. Для более тонких исследований применяются электрон­ные микроскопы, увеличение которых достигает 200000 раз, а раз­решающая способность (8…10)·10 ^-7 мм.

При помощи микроанализа определяют: форму и размер кристалли­ческих зерен, из которых состоит металл или сплав; изменение внутреннего строения сплава под влиянием механической, термиче­ской или химико-термической обработки; микропороки металла - микротрещины, раковины и т.п.; неметаллические включения - суль­фиды, оксиды и др.; примерный химический состав изучаемого спла­ва по характерной форме и характерному окрашиванию структурных составляющих и фаз; характер обработки металла.

Изучение микроструктуры производят на микрошлифах, которые представляют собой небольшие образцы металла, имеющие специаль­но приготовленную плоскую поверхность для микроанализа. Эта поверхность шлифуется, затем полируется и подвергается травлению в соответствующих реактивах. Для выявления микроструктуры сталей и чугунов после различных видов термической или химико-термической обработки широко используется 2…4 %-ный раствор азотной кислоты в спирте.

Приготовленные указанным образом микрошлифы исследуются с помощью металлографического микроскопа, который позволяет рассматривать непрозрачные тела в отраженном свете.

Микроскоп (рис. 2.1) представляет собой оптическое устройство, состоящее из двух увеличивающих систем – объектива и окуляра.

Объектив, представляющий собой сложное сочетание линз, расположенных в одной оправе, дает действительное увеличение обратное изображению микроструктуры.

Окуляр представляет собой лупу с увеличением до 20 раз и предназначен для увеличения изображения, полученного объективом.

Общее увеличение, которое дают микроскопу совместно объектив и окуляр при визуальном наблюдении, равно

где F_об и F_ок – фокусные расстояния объектива и окуляра; 250 – нормальное расстояние для зрения, мм; l – оптическая длина тубуса (для микроскопа МИМ-7 l = 250 мм).

Конструкция микроскопа МИМ-7. Микроскоп МИМ-7 (рис. 2.1) состоит из трех основных частей: осветителя, корпуса и верхней части.

Осветитель I имеет фонарь 1, внутри кожуха которого находится лампа. Центрировочные винты 2 служат для совмеще­ния центра нити лампы с оптической осью коллектора.

Корпус II микроскопа. В корпусе микроскопа на­ходятся: диск 3 с набором светофильтров; рукоятка 4 переключе­ния фотоокуляров; посадочное устройство для рамки 5 с матовым стеклом или кассеты с фотопластинкой 9 × 12 мм; узел апертурной диафрагмы, укрепленный под оправой осветительной линзы 6; кольцо с накаткой 7, служащее для изменения диаметра диа­фрагмы; винт 8, вращением которого смещается диафрагма для создания косого освещения; винт 9 для фиксации поворота апертурной диафрагмы.

Рис. 2.1. Металлографический микроскоп МИМ-7

Верхняя часть III микроскопа имеет следую­щие детали.

1. Иллюминаторный тубус 10, в верхней части которого расположено посадочное отверстие под объектив. На патрубке иллюминаторного тубуса расположена рамка с линзами 11 для работы в светлом и темном поле и рукоятка 12 для включения диа­фрагмы при работе в темном поле; под кожухом 13 — пентапризма. В нижней части кожуха 13 рас­положены центрировочные винты 14 полевой диафрагмы, диаметр которой изменяют при помощи поводка 15. Под конусом полевой диафрагмы находится фотозатвор 16.

2. Визуальный (зрительный) тубус 17, в отверстие которого вставляется оку­ляр 18. При визуальном наблюдении тубус вдвигают до упора, а при фотографировании выдвигают его до отказа.

3. Предметный столик 19, который при помощи винтов 20 может передвигаться в двух взаимно перпендикулярных направ­лениях. На предметный столик устанавливают микрошлиф исследуемой поверхностью вниз. В центре предметного столика имеется окно, в него встав­ляют одну из сменных подкладок 21 с отверстиями различного диаметра. На предметном столике расположены держатели, состоящие из вертикальных колонок 22 и пружинящих прижимов 23, которыми микрошлиф прижимается к подкладке предметного сто­лика.

Макрометрический винт 24 служит для перемещения пред­метного столика в вертикальном направлении и этим производится грубая наводка на фокус. Зажимным винтом 25 фиксируют опре­деленное положение предметного столика, чтобы он самопроиз­вольно не опускался. Для установки столика 19 на нужной высоте на кронштейне столика награвирована риска, которая устанав­ливается против точки, награвированной на корпусе микроскопа.

4. Микрометрический винт 26, с помощью которого объектив перемещают в вертикальном направлении и точно наводят на фо­кус. Расход микрометрической подачи 3 мм, цена деления бара­бана — 0,003 мм.

Изучение микроструктуры углеродистых сталей

и чугунов

Основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния системы Fe – C. В практически применяемых сплавах железа с углеродом содержание углерода не превышает 5%. Поэтому диаграмму состояния железо — углерод рассматривают не полностью от 0 до 100% углерода, а только часть ее, а именно до 6,67% углерода (что соответствует содержанию углерода в цементите). Такую диаграмму (рис. 2.2) обычно называют диаграммой состояния железо — цементит (Fe — F₃С). На этой диаграмме точка А (1539° С) отвечает температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~ 1600° С) — температуре плавления (за­твердевания) цементита.

В соответствующих областях диаграммы указаны фазы и структурные составляющие, которые существуют в железоуглеродистых сплавах.

Известно, что железо может находиться в двух аллотропических формах — α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы и химические соединения. α-Железо растворяет углерода очень мало (до 0,02% при 727°С). Твердый раствор (внедрения) углерода в α-железе называется ферритом. Фер­рит

Рис. 2.2. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

имеет низкую твердость и прочность [НВ = 80; σ_в = 245 МПа (25 кГ/мм²)] и высокую пластичность (δ = 50%; ψ = 80%). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластич­нее. γ-Железо растворяет углерод в значительно больших количествах (до 2,14% при 1147° С).

Твердый раствор (внедрения) углерода в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в простых железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора. Аустенит пластичен, его твердость НВ = 160…200, δ = 40…50%, поэтому аустенит хорошо подвергается горячей деформации.

Железо с углеродом также образуют химическое, соединение Fe₃С, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 %С, цементит обладает большой твердостью (НВ = 800), но совершенно не­пластичен, т. е. хрупкий (δ = 0 %). Чем больше цементита в железоугле­родистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. Цементит неустойчив и при определенных условиях может распадаться, выде­ляя свободный углерод в виде графита.

В точке С при 1147°С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава при охлаждении одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом (L_C → А_Е + Ц).

На линии эвтектического превращения ЕСF (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% оконча­тельно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита).

Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% образуется однофаз­ная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь — это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. Следовательно, чугун — это железоуглеродистые сплавы с содержа­нием углерода более 2,14%. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, т. е. после полного затвердевания, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ.

Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются А₃ , при нагреве их обозначают Ас₃, а при охлаждении — Ar₃.

Линия SE показывает, что с понижением температуры раствори­мость углерода в аустените уменьшается. В результате из аустенита выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называ­емого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обо­значаются Ас_m.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распа­дается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь фер­рита и цементита называемую перлитом (А_S → Ф_Р + Ц). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А₁, при нагреве их обозначают Ас₁ а при охлаждении — Аr₁.

Ниже 727° С железоуглеродистые сплавы имеют следующие струк­туры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют струк­туру фер­рит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.

Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру цемен­тит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.

Белые чугуны с содержанием углеро­да от 2,14 до 4,3% имеют структуру пер­лит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.

Белый чугун с содержанием углеро­да 4,3% имеет структуру ле­дебурита и называется эвтектическим чугуном.

Белые чугуны с содержанием угле­рода от 4,3 до 6,67% имеют структуру цементит первичный + ледебурит и на­зываются заэвтекти­ческими чугунами.

Линия PQ показывает, что с понижением температуры раствори­мость углерода в феррите уменьшается. В результате из феррита выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называемого третичным.

На рис.2.3 представлены схематические зарисовки микрострук­тур железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

0,012% С	0,2% С	0,8% С
1,2% С	3% С	5% С

Рис. 2.3. Схемы микроструктур железоуглеродистых

сплавов с различным содержанием углерода

Структуры сплавов с содержанием углерода до 0,01 % состоят из феррита, а в интервале концентраций 0,01…0,02 % С - из фер­рита и цементита третичного, располагающегося по границам зерен феррита.

Микроструктура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Микроструктура эвтектоидной стали состоит из одного пер­лита. Поскольку перлит является механической смесью феррита и цементита, при травлении 4 % -ной азотной кислотой в спирте на шлифе получается микрорельеф. Это объясняется тем, что феррит более интенсивно растворяется в кислоте, чем цементит. Кроме то­го, интенсивно растравливаются границы между цементитом и ферритом. На микроструктуре перлита общий светлый фон - феррит, вы­ступающие пластины - цементит, темные места - тени от цементитных пластин. В зависимости от условий охлаждения пластины цемен­тита в перлите могут иметь различные размеры.

Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода коли­чество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается. По соотношению площадей, занимаемых в исследованной структуре перлитом и ферритом, можно приближенно определять содержание уг­лерода в стали.

Структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементи­та вторичного. Цементит вторичный обычно расположен по границам перлитных зерен в виде свет­лой сетки или цепочки светлых вытянутых зерен.

Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали возрастает с увеличением концентрации в ней углерода и со­ставляет от 3,4 % (при С = 1 %) до 20,4 % (при С = 2 %) всей массы сплава. Даже небольшое содержание цементита вторичного в микроструктуре заэвтектоидной стали приводит к значительному повышению ее твердости и снижению пластичности по сравнению с эвтектоидной сталью.

Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из ледебурита. Однако следует иметь в виду, что при своем образовании в ходе эвтектического превращения при температуре 1147 °C ледебурит представлял собой тонкую механическую смесь кристаллов аустенита и цементита. При следующем охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE на диаграмме) из аустенита выделяется (как и в заэвтектоидных ста­лях) вторичный цементит. Вторичный цементит сливается с цементи­том эвтектическим, поэтому в структуре эвтектики их невозможно увидеть отдельно. При 727 °С аустенит в составе эвтектики превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебу­рит состоит из перлита и цементита.

Доэвтектический белый чугун после полного охлаждения имеет следующую структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. В белых чугунах с низким содержанием углерода (близким к 2,14 %) вторичный цементит выявляется достаточно хорошо, так как в таких чугунах мало ледебурита. С увеличением содержания углерода, ког­да ледебурита становится относительно много, вторичный цементит в структуре сливается с цементитом ледебурита.

Микроструктура заэвтектического белого чугуна состоит из ледебурита и первичного цементита, который кристаллизовался непосредственно из жидкой фазы и при охлаждении до комнатной темпера­туры не претерпел никаких изменений.