ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

Кафедра материаловедения и физики металлов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу

«Материаловедение» для студентов

направления 150400.62 «Металлургия»

(профиль «Технология литейных процессов»)

очной формы обучения

Часть 2

Воронеж 2014

Составители: ст. преп. В.А. Юрьева, ст. преп. О.В. Горожанкина

УДК 620.26

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение» для студентов направления 150400.62 «Металлургия» (профиль «Технология литейных процессов») очной формы обучения. Ч. 2 / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.А. Юрьева, О.В. Горожанкина. Воронеж, 2014. 56 с.

Методические указания содержат теоретические сведения и практические задания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение». Изложенный материал позволяет изучать его самостоятельно.

Предназначены для студентов третьего курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Мет.указ ЛП-2.doc

Ил. 28. Библиогр.: 6 назв.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов

Издается по решению редакционно-издательского

совета Воронежского государственного технического

университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2014

Лабораторная работа №7 микроструктура углеродистых сталей и чугунов

Структура стали

Структура стали в равновесном состоянии определяется содержанием углерода, как это показывает диаграмма состояния сплавов железо-углерод (рис.1).

Структура стали с минимальным содержанием углерода (технически чистое железо) представляет феррит (рис.2а). Феррит имеет зернистое строение. В структуре литой или перегретой стали наблюдаются пластинчатые выделения феррита (рис.3).

Незначительное увеличение содержания углерода, даже до сотых долей процента, вследствие его незначительной растворимости в -железе (до 0,006 % при 20° С) вызывает образование второй фазы - цементита. При содержании углерода примерно до 0,025 % он присутствует в структуре в виде относительно небольших количеств третичного цементита, выделяющегося из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в -железе. Третичный цементит располагается главным образом по границам зерен феррита, что понижает пластичность и вязкость стали.

Увеличение содержания углерода сверх 0,025 % вызывает образование перлита - двухфазной структуры (эвтектоида), представляющей механическую смесь (феррит + перлит) с суммарным содержанием углерода 0,8 %. При этом в стали с содержанием углерода до 0,1-0,15 % еще сохраняются включения третичного цементита (рис.2а).

Количество перлита возрастает пропорционально увеличению содержания углерода (рис.26, в) и соответственно уменьшается количество избыточного феррита.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы

железо – углерод (структурная диаграмма)

2

Перлит как двухфазная структура при воздействии реактива (например, раствора азотной кислоты) на микрошлиф травится интенсивнее, чем феррит. Поэтому при рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. Вследствие значительной дисперсности строение перлита можно отчетливо различать только при сравнительно больших увеличениях - более чем в 500 раз (рис.4). Строение перлита отчетливо различается в электронном микроскопе.

Рис. 2. Структура стали в равновесном состоянии в зависимости от содержания углерода: а – 0,05-0,1% С; б – 0,2-0,3% С; в – 0,4-0,5% С; г – 0,65-0,7% С, х500

3

Рис. 3. Структура перегретой доэвтектоидной стали (видманштеттова структура), х250

В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение; темные пластинки, видимые в перлите, представляют тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками (пластинками) цементита. В заэвтектоидной стали перлит чаще всего имеет зернистое строение (рис.4). Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига.

В заэвтектоидной стали основной структурной составляющей является перлит. Наряду с перлитом присутствует вторичный цементит, выделяющейся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-железе, как это указано линией ЕS диаграммы (рис.1). При правильном выполнении предшествовавшей обработки (прокатки, ковки, отжига) вторичный цементит присутствует в виде мелких зерен, cpaвнитeльнo равномерно распределенных в основной массе перлита (рис.4а).

4

Рис. 4. Заэвтектоидная сталь, выделение избыточного (вторичного) цементита: а – в зернистой форме; б – в виде сетки по границам зерен, х200; г – в виде игл, х600

Рис. 5. Эвтектоидная сталь (0,8% С): а – пластинчатый перлит; б – зернистый перлит, х600.

5

Возможно также выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 46). Оно происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высо­кой температуре или выполнения отжига с нагревом выше точки А_ст (вместо нагрева на 50-70° С выше А₁) и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшающим ее прочность и вязкость.

Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в виде игл (рис. 4в). Оно может быть следствием значительного перегрева.

По микроструктуре доэвтектоидной углеродистой стали в равновесном (отожженном) состоянии можно определить содержание углерода следующим образом. Структура такой стали феррит и перлит. Содержание углерода в феррите из-за незначительности этой величины (0,006 %) не учитывают и считают, что весь углерод находится в перлите. Известно, что перлит содержит 0,80% С; поэтому, если известно количество перлита в общей массе металла, то, поскольку плотности феррита и перлита близки, можно определить содержание углерода в стали умножением относительной площади (в процентах), занимаемой перлитом на просматриваемом поле шлифа, на 0,8.

Определение содержания углерода по микроструктуре в углеродистой стали, находящейся в неравновесном состоянии (в частности, после закалки и отпуска), невозможно, так как ее структура не характеризуется диаграммой железо-углерод. Правило неприменимо также для легированной стали, поскольку ее фазовый состав и структура не определяются двойной диаграммой железо-углерод.

Структура чугуна

Химический состав и содержание углерода не характери­зуют надежно свойств чугуна: его структура и основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой.

6

Белый чугун. В структуре доэвтектического чугуна наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100% в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин (рис.6).

Рис. 6. Структура белого чугуна: а – эвтектический белый чугун; б – доэвтектический белый чугун; в – заэвтектический белый чугун, х200

Серый чугун. Зависимость свойств серого чугуна от структуры значительно сложнее, чем в стали, так как серые чугуны состоят из металлической основы и включений графита, вкрапленных в эту основу. Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. Графитные включения лучше определять на нетравленых шлифах.

Эти графитные включения (в поверхностном слое) выкрашиваются при шлифовании и полировании микрошлифа. Поэтому участки, в которых они находились, кажутся в микроскопе темными. Они имеют характерную форму пластинок. Можно качественно оценить влияние графитных включений на механические свойства серого чугуна. Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Металличе-

7

скую основу изучают после травления микрошлифа. Она состоит из феррита и перлита; их количественное соотношение может быть различным. При одинаковом характере графитных включений чугун с преобладающим количеством перлита обладает более высокими механическими свойствами, чем чугун с преобладающим количеством феррита. Типичные структуры серых чугунов с различной металлической основой приведены на рис.7. В микроструктуре заметны также участки фосфидной эвтектики, влияющей не только на механические, но и литейные свойства чугуна. Они немного повышают износостойкость и улучшают жидкотекучесть

Рис. 7. Серый чугун: а – с ферритной основой; б – феррито-перлитной основой; в – с перлитной основой, х500

8

Высокопрочный чугун. Его получают модифицированием магнием; в отличие от серого чугуна он имеет включения графита шаровидной (рис. 8), а не пластинчатой формы Механические свойства чугуна значительно выше. Структуру высокопрочных чугунов определяют на нетравленых шлифах (для выявления графитных включений), а затем на травленых для характеристики металлической основы.

Ковкий чугун. Его получают длительным отжигом белого чугуна при высоких температурах. При этом цементит разлагается на железо и графит; графит получается в виде хлопьевидных включений (рис.9).

Рис. 8. Высокопрочнй чугун с перлитной основой, х200

9

Рис. 9. Ковкий чугун: а – с ферритной основой; б – на перлитной основе, х200

Задание

1. Зарисовать часть диаграммы железо-цементит, относящуюся к области сталей.

2. Схематично вычертить кривые охлаждения для сталей заданного состава.

3. Изучить и зарисовать микроструктуры образцов сталей.

4. Изучить и зарисовать микроструктуры сталей: а) со строчечной структурой, б) обезуглероженной, в) перегретой, г) литой.

5. Объяснить причины возникновения перечисленных в п.4 структур, указать их влияние на механические свойства, а также способы их исправления.

6. Зарисовать диаграмму железоуглеродистых сплавов.

7. Построить кривые охлаждения для доэвтектичского и заэвтектического чугуна. Проверить правильность их построения с помощью правила фаз; указать превращения в чугунах при охлаждении их из жидкого состояния до комнатной температуры.

8. Зарисовать типичные структуры доэвтектического и заэвтектического белого чугуна, указать их состав и свойства.

10

9. Изучить и зарисовать микроструктуры серых, высокопрочных, ковких чугунов. Указать их марки, свойства, применение.

10. Зарисовать схему отжига белого чугуна; объяснить превращения, происходящие на различных стадиях графитизации.

Контрольные вопросы

1. Поясните диаграмму состояния железо – цементит, укажите однофазные и двухфазные области диаграммы.

2. Что означает стабильное и метастабильное состояние сплавов?

3. Дайте определение фаз и структур в системе железо – углерод (феррит, аустенит, графит, перлит, ледебурит).

4. В чем состоят сходство и различие цементита первичного, вторичного и третичного?

5. Объясните физическую сущность нонвариантных превращений в сплавах железо – цементит (перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения).

6. Какие железоуглеродистые сплав Вы знаете?

7. В чем различие между белым, серым, ковким, высокопрочным и половинчатым чугунами?

11