Лабораторна робота № 4 мікроструктурний аналіз сталей у рівноважному стані

Мета роботи: вивчити мікроструктуру сталей з різним вмістом вуглецю (доевтектоїдну, евтектоїдну, заевтектоїдну).

При виконанні роботи треба отримати такі знання і уміння:

Знання – порядок проведення мікроструктурного аналізу, фазовий склад сталей з різним вмістом вуглецю.

Уміння – підготовляти мікрошліфи, проводити мікроаналіз, під мікроскопом розрізнити перліт, цементит, ферит.

Обладнання та матеріали: мікроскоп МИМ-8, МИМ-7, ММУ-3, зразки сталей доевтектоїдна, евтектоїдна, заевтектоїдна, шліфувальні та полірувальні верстати, розчини для травлення, альбом з фотографіями мікро-структур.

Короткі теоретичні відомості

Дослідження мікроструктури металів оптичною мікроскопією, яку запропонував Аносов П.П. в 1831 р., широко використовується для технічного контролю в машинобудуванні. Це пояснюється тим, що між структур-рою металів і їх властивостями є тісний зв’язок.

Мікроструктурний аналіз проводять на спеціально відібраних, відшліфованих, відполірованих та протрав-лених зразках. Як це робити описано в рекомендованій літературі. Потім зразки досліджують на мікроскопах при певному збільшенні. Збільшення мікроскопа встановлюють у залежності від мети дослідження. Для з’ясування типу зерна, його розмірів встановлюють збільшення в 300-400 разів.

Зерна фериту під мікроскопом виглядають, як світлі області без чітко виражених границь. Феритні зерна утво-рюються в низьковуглецевих сталях(0,02-0,03 % С).

Перліт може бути, як зернистим так і пластинчастим. Зернистий перліт під мікроскопом виглядає, як сітчато-подібні темні плями. Пластинчастий – область заповнена світлими і темними лініями, які чергуються між собою. У доевтектоїдних сталях (0,2-0,3% С) спостерігаються зерна фериту і перліту, але з наближенням до 0,8% С кількість фериту зменшується і при 0,8% С буде один перліт.

Цементит у мікроскоп видний, як світла сітка накладена на темне поле. Тобто цементит виділяється по границях перліту. Зовнішній вигляд зерна зображують графічно. Як на рисунках зображають зерна з’ясуйте в рекомендованій літературі. Величину зерен у метало-графічній практиці визначають шляхом візуальної оцінки. Для цього створений набір мікрофотографічний. Умовний номер зерна відповідає числу зерен, які приходяться на 1 мм² поверхні шліфів.

Перший номер відповідає шістнадцяти зернам на площі 1 мм² шліфа. Зменшення розміру зерна на один номер по шкалі відповідає зменшенню вдвоє кількості зерен на 1 мм². Зручно номер зерна встановлювати за допомогою спеціальної приставки до окуляра мікроскопа. У половині поля зору окуляра вмонтована пластинка з фотографіями номерів шкали розмірів зерен.

Шляхом порівняння зерен досліджуваного зразка з фотографіями можна встановити номер зерна. Є й інші способи оцінки величини зерен. Розгляньте їх, користу-ючись літературою та додатком до лабораторної роботи.

Питання для самоконтролю

1. Яких вимог треба дотримуватися при виборі та підготовці зразка для мікрошліфа?

2. З якою метою зразки травлять?

3. Дайте визначення перліту, фериту, цементиту та аустеніту.

4. Як відрізнити по зовнішньому вигляду зерна фериту, перліту та цементиту?

5. Яку сталь називають доевтектоїдна, евтектоїдна та заевтектоїдна?

6. Які сплави відносяться до твердих розчинів (заміщення та втілення), механічної суміші та хімічного з’єднання?

Література

1. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1985.

2. Алаи С.И. та др. Технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 1986. – 383 С

3. Самохоцкий А.И. Лабораторные работы по металловедению термической обработке металлов, 1981

4. Рудин Д.Ф. Технологія металів та інших конструкційних матеріалів. – К.: 1975. – 156 С.

5. Справочник по практическому металловедению. – К.: Техника, 1984.

Завдання до роботи

1. Провести мікроструктурний аналіз доевтектоїдної, евтектоїдної та заевтектоїдної сталі.

2. Знайти залежність мікроструктури зразків від вмісту вуглецю.

3. Скласти звіт про роботу. Результати дослідження занести в таблицю.

Таблиця 4.1

Марка сталі	Схематичне зображення мікро-структури	Збільшен-ня	Описання мікро-стуктури	Примітка

Додаток для самостійної роботи

Мікроструктура сталей

Діаграма стану залізо-вуглець є графічним від обра-женням основних явищ, які відбуваються в залізо-вуглецевих сплавах з вмістом вуглецю від 0 до 6,67%. Сплави з більшим вмістом вуглецю ніж 6,67%, не мають практичного застосування, тому їх не варто розглядати.

Залежно від вмісту вуглецю розрізняють технічне залізо (0-0,02% вуглецю), доевтектоїдні та заевтектоїдні сталі (0,02-2,14% вуглецю), доевтектичні, евтектичні, заевтектичні чавуни (2,14-6,67% вуглецю). Складовими структурами вуглецевих сталей є: ферит, перліт та цементит, а чавуну – перліт, цементит та ледебурит. Діаграма Fe-C завершується цементитом, тому її називають діаграма залізо-цементит (рис. 5.1).

Залізо має поліморфні перетворення, тому до 911°С його називають α-залізо і позначають Feα. Від температури 911°С до 1392°С буде γ-залізо, його позначають Feγ. З 1392°С до плавлення (1539°С) буде δ-залізо (Feδ). Оскільки Feα і Feδ мають однакову комірку, то інколи Feδ позначають Feα.

Рис. 4.1 Діаграма залізо-цементит

Технічно-чисте залізо має зерна фериту. На діаграмі воно знаходиться лівіше точки Q. Мікроструктура технічно чистого заліза виглядає, як світлі зони з темними лініями по границям. Темні зони між світлими зернами фериту є неметалічними включеннями.

Доевтектоїдні сталі мають зерна фериту та перліту. Мікроструктура доевтетоїдних сталей складається з світлих (ферит) і темних (перліт) зон. При значних збіль-шеннях темні зони виглядають, як чергування світлих і темних смуг.

Евтектоїдна сталь складається з самого перліту. Він може бути пластинчатим і зернистим. Це залежить від форми цементиту. При повільному охолодженні сплаву в розплаві першими утворюються зародки цементиту. Оскільки для його утворення потрібно 6,67 % вуглецю, то область розплаву навколо зародка цементиту збіднюється на вуглець і створюються умови для утворення фериту. Тому відбувається чергування зерен фериту і цементиту. У мікроскоп на зразку, протравленому розчином азотної кислоти у спирті, пластинчатий перліт виглядає як чергу-вання світлих і темних ліній.

Заевтектоїдна сталь складається із зерен перліту і цементиту (вторинного). Після травлення заевтектоїдна сталь виглядає, як темне поле з ніби накладеною на нього світлою сіткою. Темним (полосчатим) є перліт, а світла сітка – цементит.

Щоб розрізнити заевтектоїдну і доевтектоїдну сталь, тобто визначити світлим є ферит чи цементит, треба провести контрольне травлення пікратом натру. Для цього шліф спочатку полірують, потім травлять. Пікрат натру забарвлює цементит у темно-коричневий колір. Якщо сітка після травлення залишається світлою, то це ферит, і сталь доевтектоїдна, а якщо сітка потемніла, то це цементит і сталь заевтектоїдна.

Отже, структура сталі значною мірою визначається вмістом вуглецю, тому, щоб у ній орієнтуватись, треба вміти визначати вміст вуглецю за маркуванням.

Маркування сталей здійснюють за класифікацією по якості. Вуглецеві сталі звичайної якості маркуються буквами та цифрами. Сталь позначається скороченням Ст, а її міцність цифрами від 0 до 6. Межі міцності сталі розділені на сім груп. Із збільшення цифри зростає міцність. Числове значення міцності та вміст вуглецю визначають за таблицею 4.1.

Таблиця 4.1 Марки та хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості

Марка сталі	Масова частка елементів, %
	вуглецю	марганцю	кремнію
Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст2пс Ст2сп Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс Ст3Гсп Ст4кп Ст4пс Ст4сп Ст5пс Ст5сп Ст5Гпс Ст6пс Ст6сп	не більше ніж 0,23 0,06-0,12 0,06-0,12 0,06-0,12 0,09-0,15 0,09-0,15 0,09-0,15 0,14-0,22 0,14-0,22 0,14-0,22 0,14-0,22 0,14-0,20 0,18-0,27 0,18-0,27 0,18-0,27 0,28-0,37 0,28-0,37 0,22-0,30 0,38-0,49 0,38-0,49	- 0,25-0,50 0,25-0,50 0,25-0,50 0,25-0,50 0,25-0,50 0,25-0,50 0,30-0,60 0,40-0,65 0,40-0,65 0,80-1,10 0,80-1,10 0,40-0,70 0,40-0,70 0,40-0,70 0,50-0,80 0,50-0,80 0,80-1,20 0,50-0,80 0,50-0,80	- не більше ніж 0,05 0,05-0,15 0,15-0,30 не більше ніж 0,05 0,05-0,15 0,15-0,30 не більше ніж 0,05 0,5-0,15 0,15-0,30 не більше ніж 0,05 0,15-0,30 не більше ніж 0,05 0,05-0,15 0,15-0,30 0,05-0,15 0,15-0,30 не більше ніж 0,15 0,05-0,15 0,15-0,30

Якісні сталі маркують двозначним числом, яке показує вміст вуглецю в сотих долях відсотка. У випадках, коли в тексті не йдеться про сталь, наприклад, на крес-леннях, перед числом пишеться повністю слово «Сталь» – Сталь 40. Дані про якісні сталі з різним вмістом вуглецю можна взяти з таблиці 5.2.

Таблиця. 4.2 Марки та хімічний склад конструкційних вуглецевих якісних сталей

Марка сталі	Масова частка елементів, %
	вуглецю	кремнію	марганцю	хрому, не більше ніж
05кп 08кп 08пс 08 10кп 10пс 10 15кп 15пс 15 20кп 20пс 20 25 30 35 40 45 50 55 60	не більше 0,06 0,05-0,12 0,05-0,12 0,05-0,12 0,07-0,14 0,07-0,14 0,07-0,14 0,12-0,19 0,12-0,19 0,12-0,19 0,17-0,24 0,17-0,24 0,17-0,24 0,22-0,30 0,27-0,35 0,35-0,40 0,37-0,45 0,42-0,50 0,47-0,55 0,52-0,60 0,57-0,65	не більше ніж 0,03 не більше ніж0,03 0,05-0,17 0,17-0,37 не більше ніж 0,07 0,05-0,17 0,17-0,37 не більше ніж 0,07 0,05-0,17 0,17-0,37 не більше ніж 0,07 0,05-0,17 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37 0,17-0,37	не більше ніж0,40 0,25-0,50 0,35-0,65 0,35-0,65 0,25-0,50 0,35-0,65 0,35-0,65 0,25-0,50 0,35-0,65 0,35-0,65 0,25-0,50 0,35-0,65 0,35-0,65 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80	0,10 0,10 0,10 0,10 0,15 0,15 0,15 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Хімічний склад інструментальних вуглецевих сталей знаходять за таблицею 4.3.

Таблиця.4.3 Марки та хімічний склад інструментальних та нелегованих сталей

Марка сталі	Масова частка елементів, %
	вуглець	кремній	марганець	сірка	фосфор
				не більше ніж
У7 У8 У8Г У9 У10 У11 У12 У13 У7А У8А У8ГА У9А У10А У11А У12А У13А	0,65-0,74 0,75-0,84 0,80-0,90 0,85-0,94 0,95-1,04 1,05-1,14 1,15-1,24 1,25-1,35 0,65-0,74 0,75-0,84 0,80-0,90 0,85-0,94 0,95-1,04 1,05-1,14 1,15-1,24 1,25-1,35	0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33	0,17-0,33 0,17-0,33 0,33-0,58 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,33 0,17-0,28 0,17-0,28 0,33-0,58 0,17-0,28 0,17-0,28 0,17-0,28 0,17-0,28 0,17-0,28	0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025	0,028 0,028 0,028 0,028 0,028 0,028 0,028 0,028 0,018 0,018 0,018 0,018 0,018 0,018 0,018 0,018