ТКМ (Вальтер А.И.)_1 / Лабор. заоч.-2 / микроанализ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

1. Цели и задачи работы

Изучить диаграмму состояния системы железо-цементит. Изучить структуру углеродистых сталей и чугунов.

2. Теоретические положения

Основными машиностроительными материалами являются сплавы на основе железа: стали и чугуны.

Стали – сплавы железа с углеродом, где углерода содержится до 2 %.

Чугуны – это сплавы железа с углеродом, где углерода содержится свыше 2 % до 6,67 %.

В сплавах при охлаждении и нагреве происходит изменения и образуются новые фазы и структуры.

Фаза – однородная часть системы, отделяется от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства и сплавы изменяются скачкообразно. Изменения фаз и структур можно определить по диаграмме состояния железо-цементит.

Диаграммой состояния называют графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-углерод

Структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах в зависимости от температуры и концентрации углерода следующие:

аустенит – твёрдый раствор углерода в  - железе, с придельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1147 ºС с понижением температуры до 727 ⁰С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита не магнитна и имеет высокую пластичность и вязкость.

феррит – твёрдый раствор углерода в  - железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 ⁰С имеет малую твердость и высокую пластичность;

цементит – химическое соединение железа с углеродом Fe₃С (6,67 % С); имеет большую твердость и хрупкость;

перлит - механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид – 0,8% С), образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита; сталь имеющая структуру перлита, обладающей большими значениями прочности и твердости; перлит двухфазная структурная составляющая;

ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита (эвтектоид –4,3% С), ниже 727 ⁰С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита ледебурит также является двухфазной структурной составляющей;

графит – углерод в свободном состоянии, располагается в основной массе металла и имеет развитую объемную форму в виде пластинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит компактных форм (хлопьевидной или шаровидной), образующихся из перенасыщенных твердых растворов железа с углеродом. В железоуглеродистом сплаве графит образуется при содержании Si1,5 % и при очень медленном охлаждении. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Характеристика железа – железо имеет температуру плавления 1539 ⁰С и плотность 7800 кг/м³ . В твердом состоянии железо существует в двух кристаллических модификациях:  - или  - железо и  - железо.

В зависимости от температуры железо подвергается аллотропическому превращению. Кривая аллотропического превращения железа представлена на рис. 2.

Рис.2. Кривая аллотропического превращения железа

При переходе железа из жидкого в твердое состояние атомы, находившееся в хаотическом движении, выстраиваются в строго определенным порядке, образуя объемноцетрированные кубы (ОЦК – объемноцетрированная кубическая кристаллическая решетка). Этот тип кристаллической решетки сохраняется при понижении температуры до 1401 ºС. Модификация железа в интервале температур 1529-1401 ºС называется  - железо.

При понижении температуры с 1401 до 911 ºС атомы железа перестраиваются и вместо ОЦК – решетки образуется ГЦК – решетка (гранецентрированная кубическая решетка). Эта модификация железа называется γ – железо.

При дальнейшем понижении температуры (ниже 911 ˚С) атомы железа вновь перестраиваются и ГЦК – решетка переходит в ОЦК – решетку. Такая модификация 6называется  - железо (которая сохраняется до комнатной температуры сплава). При понижении температуры с 911 ºС до 768 ºС железо не обладает магнитными свойствами и оно называется паромагнитным. (это модификация – β – железо).

Пои температуре 768 ºС перестраиваются электронные оболочки и ниже этой температуры у железа появляются магнитные свойства ( - железо). Тип кристаллической решетки ОЦК сохраняется.

На диаграмме железо-углерод линя АВСД называется линией ликвидус. Выше этой линии любой концентрации углерода находятся в жидком состоянии; ниже линии AHJECF все сплавы находятся в твёрдом состоянии. Эта линия называется солидус. Сплавы находящиеся между линиями ликвидус и солидус, находятся в двухфазном состоянии. В доэвтектических сплавах (углерода менее 4,3 %, левее точки С) между линиями ликвидус и солидус имеется жидкий расплав и твердые кристаллы аустенита (А)

Правее точки С сплавы содержат углерода более 4,3 % - заэвтектические сплавы между линиями ликвидус и солидус имеют жидкий расплав и твердые кристаллы цементита (Ц_Ι).

Линия PSK – эвтектоидная линия на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации т.е. кристаллы аустенита с содержанием углерода 0,8 % превращаются в перлит.

По линии GS в доэвтектических сплавах при вторичной кристаллизации из аустенита выделяется феррит, а при температуре 727 ºС,кристалы обогащенные углеродом до 0,8 %превращаются в перлит. Ниже линии PS доэвтэктоидные стали имеют структуру феррита и перлита (Ср + П)

По линии SE из аустенита при вторичной кристаллизации из аустенита выделяется цементит (Ц_ІІ), а обедненные кристаллы аустенита до 0,8 %углерода превращаются при температуре 727 ºС в перлит. Заэвтектоидные стали ниже 727 ºС состоят из перлита и цементита (П + Ц_ІІ).

Сплав, содержащий углерода 0,8 % состоит перлита и называется эвтектоидным.

Ниже линии эвтектического превращения (линия ECF) доэвтектические чугуны с содержанием углерода 2,14 до 4,3 % имеют структуру аустенита, ледебурита и цементита (А+Л+ Ц_ІІ), а ниже линии имеют структуру перлита, ледебурита и цементита (П+Л+ Ц_ІІ) – белый чугун.

Сплавы содержащие углерода от 4,3 до 6,67 %, (заэвтектические сплавы) ниже линии (ECF) имеют структуру лебурита и цементита (Л+ Ц_ІІ) и такая структура сохраняется и ниже линии PSK.

Микроструктуры сталей показаны на рис. 3,

Рис.3. Микроструктуры стали

а – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь; в – эвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь

К конструкционном чугунам относятся: ковкий, серый и высокопрочный. Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна (А+Л+Ц_ІІ) по графику (рис. 4).

Рис.4. График обжига белого чугуна.

В результате отжига только при температуре Ι стадии получают ковкий чугун на перлитной основе, обладающий высокой прочностью и твердостью и низкой пластичностью.

В результате отжига цементит разлагается по реакции:

FE₃C Fe + C

Образующийся углерод выделяется в свободном виде и имеет хлопьевидную форму. Металлическая основа – аустенит при охлаждении ниже температуры 727 ºС превращается в перлит.

При получении чугуна на перлито-ферритной и ферритной основах, чугун после выдержки при 960…980 ºС охлаждают ниже температуры 727 ºС (до 630 ºС) для получения перлитной основы чугуна, а затем нагревают до 730…733 ºС и выдерживают определенное время для разложения цементита перлита.

В результате распада цементита включения графита увеличиваются по размерам, а основа превращается в ферритную. Время выдержки влияет на содержание в структуре чугуна перлита или отсутствие его.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования серого чугуна с весьма низким содержанием серы. В результате кристаллизации жидкого расплава углерод выпадает в свободном виде, приобретая шаровидную форму, что обеспечивает сплаву более высокую прочность

Микроструктуры чугунов приведены на рис.5.

Рис.5. Микроструктура чугунов: а – ковкий чугун на ферритной основе, б – серый чугун на ферритно-перлитной основе, в – высокопрочный чугун на перлитной основе.

Кристаллизация белого чугуна происходит по метастабильной диаграмме Fe – Fe₃C (при большой скорости охлаждения или при малом содержании графитизирующего элемента – кремния). В этом чугуне углерод присутствует всегда в виде цементита Fe₃C, поэтому белые чугуны отличаются очень высокой прочностью, и отсутствием пластичности и для изготовления деталей машин и конструкций не пригоден. Длительным обжигом из белого чугуна получают ковкий. Метастабильной диаграмма называется потому, что цементит – неустойчивая структурная составляющая и при определенных условиях распадается.

Серый и высококачественные чугуны кристаллизуют по стабильной диаграмме железо-углерод Fe – C. При определенном химическом составе и заданной скорости охлаждения сплава из жидкого расплава выделяется графит в свободном виде, который сохраняется в сплаве до повторного. На рис.1. стабильная диаграмма показана пунктирными линиями.

3. Объекты и средства исследования

3.1. Металлографический микроскоп МИМ – 7.

3.2. Комплект микрошлифов отожжённой углеродистой стали.

3.3. Комплект микрошлифов чугунов серого, ковкого и высокопрочного.

3.4. Альбом фотографий микроструктур углеродистой стали и чугунов.

4. Подготовка к работе

4.1. Начертить диаграмму состояния системы железо-углерод.

4.2. Разобрать и описать превращения в сталях и чугунах при охлаждении (или нагреве).

5. Порядок проведения эксперимента

5.1. Просмотреть под микроскопом и изучить микроструктуры образцов углеродистой сталей в отожжённом состоянии.

5.2. Определить, к каким сталям по структуре относятся изучаемые образцы.

5.3. Посмотреть под микроскопом и изучить микроструктуры заданных образцов чугуна.

5.4. Определить, к каким видам чугуна (серому, ковкому или высокопрочному) относятся изучаемые образцы.

6. Обработка результатов эксперимента

6.1. Зарисовать схемы рассмотренных микроструктур сталей с указанием структурных составляющих.

6.2. Сопоставить между собой механические свойства (твёрдость, прочность, пластичность) рассмотренных образцов стали.

6.3. Определить приблизительно марки исследуемых образцов стали и указать их примерное назначение.

6.4. Зарисовать схемы примерных микроструктур чугунов с указанием структурных составляющих.

6.5. Объяснить особенности строения серого, ковкого и высокопрочного чугуна. Дать сравнительную характеристику механических свойств рассмотренных образцов чугуна.

6.6. По микроструктуре подобрать примерно марку изучаемых образцов чугуна и указать их применение.

7. Контрольные вопросы

1. Каково значение диаграммы железоуглеродистых сплавов?

2. Почему рассмотрение диаграммы ограничено концентрацией углерода до 6,67% и 600 ⁰С?

3. Почему диаграмма железо-углерод изображена двумя сериями линий – сплошными и штриховыми? Каково их происхождение? В чём состоит отличие стабильной диаграммы Fe – C от метастабильной Fe – Fe ₃C?

4. Охарактеризуйте основные свойства компонентов, составляющих систему.

5. Назовите основные фазы, встречающиеся в системе Fe – Fe ₃C и расскажите, что они собой представляют, каково их строение и свойства.

6. Назовите все фазовые и аллотропические превращения, встречающиеся в системе Fe – Fe₃ C. Расскажите, в чём их сущность и какие фазы или структуры образуются в результате этих превращений.

7. Какие сплавы называются сталями? Углеродистыми сталями?

8. Как изменяется структура сталей с повышением содержания углерода?

9. На какие группы подразделяются стали по структуре (в зависимости от содержания углерода)? Назовите пределы содержания углерода для каждой группы и охарактеризуйте типичную структуру для каждой из них.

10. Как меняются основные механические свойства сталей с повышенным содержанием углерода? Свяжите эти изменения с изменением структуры.

11. Как классифицируются углеродистые стали по назначению? По качеству? Их маркировка.

12. Какие сплавы называются чугунами? Укажите классификацию чугунов (по состоянию углерода и форме графитовых включений).

13. Какие факторы влияют на процесс графитизации?

14. Какое влияние оказывает на свойства чугуна форма графитовых включений и характер металлической основы?

15. Укажите маркировку серого чугуна?

16. Что такое ковкий чугун и его принципиальное отличие от других видов чугуна?

17. Укажите маркировку ковкого чугуна?

18. Как получают высокопрочный чугун? Назовите микроструктуры высокопрочного чугуна.

19. Как маркируется высокопрочный чугун?