- •Материаловедение
- •Лабораторная работа № 1 Микроскопический анализ металлов
- •1. Содержание работы
- •1.1. Макроанализ
- •1.2. Микроанализ
- •1.3. Приготовление микрошлифа
- •1.4. Микроскопы металлографические
- •1.5. Проведение испытаний
- •1.6. Влияние размера зерна поликристаллических материалов на их механические свойства
- •1 − Мелкое зерно (0,04 мм); 2 − крупное зерно (0,09 мм)
- •2. Порядок выполнения работы
- •2.1. Подготовка микроскопа к визуальному наблюдению
- •2.2. Определение цены деления
- •2.3. Определение величины зерна стали
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе № 1 Микроскопический анализ металлов
- •Лабораторная работа № 2 Изучение процесса кристаллизации
- •1. Содержание работы
- •1.1. Теоретические основы процесса кристаллизации металлов
- •1.2. Кристаллизация солей
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе №2 Изучение процесса кристаллизации
- •Лабораторная работа № 3 Построение диаграммы состояния «Свинец – олово» термическим методом
- •1. Содержание работы
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Построение диаграммы состояния
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе №3 Построение диаграммы состояния «Свинец – олово» термическим методом
- •Лабораторная работа № 4 Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
- •1. Содержание работы
- •1.1. Фазы и структуры диаграммы «Железо – цементит»
- •1.2. Классификация железоуглеродистых сплавов
- •1.3. Влияние концентрации углерода на свойства железоуглеродистых сплавов
- •1.4. Структура и свойства железоуглеродистых сплавов
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе № 4 Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
- •Лабораторная работа № 5 Термическая обработка стали
- •1. Содержание работы
- •1.1. Основные виды термической обработки стали и их назначение
- •1.2. Процессы нагрева стали
- •1.3. Процессы охлаждения стали
- •1.4. Превращение аустенита при отжиге
- •1.5. Превращение аустенита при нормализации
- •1.6. Превращение аустенита при закалке
- •1.7. Влияние температуры отпуска на структуру стали
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе № 5 Термическая обработка стали
- •Лабораторная работа № 6 Микроструктуры термически обработанных углеродистых сталей
- •1. Содержание работы
- •1.1. Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита
- •1.2. Влияние температуры отпуска на превращение мартенсита закалки
- •1.3. Влияние температуры отжига на структуру и свойства стали
- •1.4. Влияние температуры закалки на структуру и свойства стали
- •1.5. Влияние температуры отпуска на структуру и свойства стали
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Отчет по лабораторной работе №6 Микроструктура термически обработанных сталей
- •Библиографический список
- •Содержание
Лабораторная работа № 4 Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии
Цель работы: изучение микроструктуру сталей и чугунов в равновесном состоянии и установление связи между структурой и свойствами.
1. Содержание работы
1.1. Фазы и структуры диаграммы «Железо – цементит»
Под равновесным состоянием понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это происходит только при медленном охлаждении. Основой для определения фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния «Железо – цементит» (рис. 4.1). В сплавах железа с углеродом образуются следующие фазы и структуры.
Рис. 4.1. Диаграмма состояния «Железо – цементит»
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Feα – мягкая, пластичная фаза (σВ = 300 МПа, δ = 40%, ψ = 70%, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в феррите при 0 °С – 0,006 %, при 727 °С – 0,02%, в высокотемпературном феррите – 0,1%. Феррит магнитен до 768 °С. Кристаллическая решетка – кубическая объемноцентрированная.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ – более твердый, чем феррит, и пластичный (δ = 40–50%, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14% при 1147 °С. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрированная.
Цементит – химическое соединение Fe3C – имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность. Температура плавления цементита около 1250 °С. Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабоферромагнитен. Кристаллическая решетка ромбическая.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита является прочной структурной составляющей (σВ = 800–900 МПа, δ = 16%, 1800 HB).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147–727 °С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость (> 6000 HB), но хрупок.
Графит – аллотропическая модификация углерода. Имеет гексагональную решетку. Твёрдость и прочность графита очень малы.
1.2. Классификация железоуглеродистых сплавов
Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содержанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме «Железо – цементит» все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.
Техническим железом называются сплавы с содержанием углерода от 0 до 0,02%. При концентрации углерода до 0,006% сплавы являются однофазными и имеют структуру феррита.
Сплавы с содержанием углерода от 0,006 до 0,02 % являются двухфазными. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной температуре. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006%, оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счет выделения цементита.
Сталями называются сплавы железа с углеродом, концентрация которого находится в пределах от 0,02 до 2,14 %.
Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структуру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 °С (рис. 4.1, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:
А0,8 % С → П (Ф0,02 % С + Ц6,67 % С).
Продуктом данного превращения является перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.
По структуре в равновесном состоянии стали делятся:
на доэвтектоидные (концентрация углерода от 0,02 до 0,8%), при комнатной температуре состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура таких сталей – феррит+перлит;
эвтектоидную (концентрация углерода 0,8%), также состоящую из двух фаз – феррита и цементита, структура – перлит;
заэвтектоидные (концентрация углерода от 0,8 до 2,14%), имеющие структуру перлит+цементит, образованную из двух фаз: феррита и цементита.
Чугуны – железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде химического соединения Fe3C), то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.
Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при температуре 1147 °С (рис. 4.1, линия ЕСF), в результате которого образуется ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита:
Ж4,3% С → Л2,14% С + Ц6,67 % С.
При температуре 727 °С происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементита.
По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:
на доэвтектические (от 2,14% до 4,3% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, перлит, цементит вторичный;
эвтектический (4,3% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит;
заэвтектические (от 4,3 до 6,67% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, цементит первичный.
Все рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз − феррита и цементита, но имеют разную структуру, а именно структура определяет свойства сплавов.
Белый чугун обладает хорошими литейными свойствами, но высокая твёрдость исключает его механическую обработку. Поэтому белый чугун не является конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.
Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно, не уменьшая концентрации углерода, добиться резкого уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого необходимо, чтобы весь или большая часть углерода выделилась в свободном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.
Серыми чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны, как минимум, трёхкомпонентные сплавы, то диаграмма «Железо − цементит» для определения структуры сплавов не пригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.
По металлической основе серые чугуны подразделяются:
на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластинчатый;
феррито-перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;
перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.
Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обрабатываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объясняется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.
Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его прочность, нужно изменить форму графита − пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием − введением в расплав малых количеств магния или церия.
Высокопрочными чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровидного графита.
По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:
на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;
феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;
перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.
Ковкими чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Получают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.
По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:
на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;
феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;
перлитные ковкие чугуны со структурой перлит и графит хлопьевидный.