Методическое пособие 610

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра материаловедения и физики металлов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу «Фазовые равновесия и структурообразование» для студентов направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Физическое материаловедение») очной формы обучения

Часть 2

Воронеж 2016

Составители: ст. преп. В.А. Юрьева, ст. преп. О.В. Горожанкина, канд. физ.-мат. наук Д.Г. Жиляков

УДК 620.26

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Фазовые равновесия и структурообразование» для студентов направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Физическое материаловедение») очной формы обучения. Ч.2 / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.А. Юрьева, О.В. Горожанкина, Д.Г. Жиляков. Воронеж, 2016. 44 с.

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

Предназначены для студентов третьего курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле Мет.указ Фазовые равновесия часть

2.pdf

Табл. 3. Ил. 28. Библиогр.: 6 назв.

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

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. физ.-мат. наук, доц. Д.Г. Жиляков

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ОТОЖЖЕННОЙ СТАЛИ И ЧУГУНОВ

Цель работы: анализ диаграммы состояния железоуглерод, изучение типовых микроструктур сталей и чугунов.

Оборудование и материалы: микроскоп МИМ-7 или МИМ-8М, коллекция микрошлифов 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.2.а). 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 α-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 α-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.2,а).

Количество перлита возрастает пропорционально увеличению содержания углерода (рис.2б, в) и соответственно уменьшается количество избыточного феррита.

Рис. 1. Диаграмма состояния 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

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.

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

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.5,а).

4

Рис. 4. Эвтектоидная сталь (0,8 %С: а – пластинчатый перлит; б – зернистый перлит, х600

Рис. 5. Заэвтектоидная сталь, выделение избыточного (вторичного) цементита: а – в зернистой форме; б – в виде сетки по границам зерен, х200; г – в виде игл, х600

5

Возможно также выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 5б). Оно происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре или выполнения отжига с нагревом выше точки Аст (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.5г). 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 характе-

ризуют надежно свойств чугуна: его структура и основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термиче-

6

ской обработки. Свойства чугуна определяются его структурой.

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.

Графитные включения (особенно в поверхностном слое) выкрашиваются при шлифовании и полировании микро-

7

шлифа. 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. Металлическую основу изучают после травления микрошлифа. Графитные включения в металлической основе хрупкие.

Основа 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 на литейные свойства чугуна. Они немного повышают износостойкость и улучшают жидкотекучесть.

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 травленных 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).

8