Лабораторные работы. Методические указания для студентов очного обучения. Разработал П.И. Маленко / 3_LAB_1 (1)

Министерство образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра технологии металлов и литейного производства

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И СВАРКА

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Методические указания

для студентов очного обучения

Тула 2000 г.

Разработал П.И. Маленко

кандидат технических наук, ассистент

Аннотация

Выполняя лабораторные работы, входящие в сборник дисциплины “ Металловедение и сварка”, студенты более полно получают знания по отдельным разделам дисциплины, а также получают некоторые практические навыки, которые помогут студентам в выборе способа получения заготовок для деталей машин при выполнении курсовых и дипломного проекта, а также в дальнейшей инженерной практике.

Министерство образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра технологии металлов и литейного производства

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И СВАРКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

для студентов очного обучения

Тула 2000 г.

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Изучить диаграмму состояния системы железо-углерод. Изучить микроструктуры углеродистых сталей, а также серого, ковкого и высокопрочного чугунов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейший материал современной техники. В сталях содержится углерода менее 2%, а в чугунах более 2%. Кроме того, в сталях и чугунах содержится Si, Mn, P, S, и другие примеси, попадающие в сплавы в процессе выплавки.

Представление о строении железоуглеродистых сплавов даёт диаграмма Fe – C (рис. 1). Она строится в координатах температура – состав (% С). На практике применяются сплавы, содержащие углерода не более 5%, поэтому рассматривается только часть диаграммы, содержащая углерода до 6,67%. При этом содержании углерода образуется химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом. Цементит принимают за самостоятельный компонент и рассматривают систему железо – цементит.

Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-углерод

Сплошные линии на диаграмме представляют метастабильное состояние системы Fe- Fe₃C , а штриховые – стабильное состояние системы Fe –C (или железо – графит, так как в графите ~ 99% углерода). По метастабильной диаграмме кристаллизуются сталь и белый чугун, по стабильной – серый и высокопрочный чугуны.

2.1. Компоненты системы железо-углерод

2.1.1. Ж е л е з о . Температура плавления железа 1539 ⁰С, плотность 7,87410³ кг/м³ . В твердом состоянии железо существует в двух кристаллических модификациях: - или - железо и - железо. (рис.2). Высокотемпературное - железо (от 1539 до 1401⁰С ) и низкотемпературное - железо (ниже 910 ⁰С ) имеет объёмноцентрированную кубическую решётку (ОЦК). - железо ферромагнитно до 768 ⁰С, а выше – немагнитно. В интервале температур 910 – 1401 ⁰С стабильным является - железо с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК).

Рис.2. Кривая охлаждения железа

Эти кристаллические модификации железа сохраняются и в железоуглеродистых сплавах.

2.1.2. У г л е р о д имеет очень малый атомный радиус 0,077 нм и в железоуглеродистых сплавах может присутствовать в виде твёрдых растворов внедрения, в химически связанном состоянии в виде цементита Fe₃C и в структурно свободном состоянии в виде графита. Графит – наиболее устойчивая модификация углерода, образуется при медленном охлаждении сплава в условиях затвердевания по стабильной системе. Температура плавления графита ~ 4000 ⁰С, плотность 2,23*10³ кг/м³. Графит является самой непрочной фазой в железоуглеродистых сплавах.

2.1.3. Ц е м е н т и т – химическое соединение железа с углеродом Fe₃C, содержит 6,67 %С. Температура плавления ~1600 ⁰С, имеет очень высокую твёрдость НВ 800 и практически нулевую пластичность. В системе Fe – Fe₃C цементит является одновременно компонентом и одной из фаз в сплавах. На диаграмме железо – углерод вертикаль DFK отвечает 100%-ному содержанию цементита.

2.2. Фазы и двухфазные структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах

В сплавах системы железо – углерод существуют следующие фазы:

- жидкая фаза – неограниченный раствор углерода в жидком железе. На диаграмме расположена выше линии ABCD , от 0 до 6,67 %С;

- -феррит (или высокотемпературный феррит) – твёрдый раствор углерода в -железе, имеет ОЦК решётку. Наибольшая растворимость углерода в -железе 0,1% (при 1494 ⁰С, точка Н). На диаграмме занимает область AHN и обозначается буквой ;

- аустенит – твёрдый раствор углерода в - железе, имеет ГЦК решётку. Наибольшая растворимость углерода в - железе 2,14% (при 1145 ⁰С, точка Е). Аустенит мягок (НВ 200), пластичен ( = 40…50%), парамагнитен. Устойчив при температурах выше 723 ⁰С, ниже этой температуры не существует. На диаграмме занимает область NJESG и обозначается буквой А;

- феррит – твёрдый раствор углерода в - железе, имеет ОЦК решётку. Наибольшая растворимость углерода в - железе 0,025% (при 723 ⁰С, точка Р), при комнатной температуре растворимость 0,006% С. Сплавы, состоящие из одного феррита, называются техническим железом. Феррит мягкий (НВ 80), пластичный (_в = 250 МПа). Ферромагнитен до температуры 768 ⁰С. На диаграмме занимает область QPG и обозначен буквой Ф.

- цементит (Fe₃C), его свойства рассмотрены ниже;

- графит (структурно свободный углерод), его свойства рассмотрены выше.

Кроме перечисленных фаз, в железоуглеродистых сплавах существуют двухфазные структурные составляющие:

- перлит – эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита, образующаяся из аустенита при 723 ⁰С (линия PSK – эвтектоидное превращение). Перлит может иметь пластичное или зернистое строение;

- ледебурит – эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита, образующаяся при 1145 ⁰С (линия ECF – эвтектическое превращение).

2.3. Описание диаграммы железо-углерод

Любая точка диаграммы характеризует фазовый состав сплава при заданных температуре и конденсации (%,С).

Линия АВСД – линия ликвидус (liquidus – жидкость); выше этой линии все сплавы в жидком состоянии. Линия – AHJECF – линия солидус (solidus – твёрдый); ниже этой линии все сплавы в твёрдом состоянии.

Кристаллизация железоуглеродистых сплавов начинается при некотором переохлаждении линии ликвидус.

Линия AB и AJ – соответственно линии начала и конца кристаллизации из жидкости - феррита. Между этими линиями сплавы находятся в двухфазном состоянии: жидкость + - феррит.

Линии BC и JE соответственно линии начала и конца кристаллизации из жидкости аустенита. Между этими линиями сплавы находятся в двухфазном состоянии: жидкость + аустенит.

По линии СД из жидкости кристаллизуется цемент первичный. Ниже этой линии сплавы находятся в двухфазном состоянии: жидкость + первичный цементит..

Линия HJB – перитектическая линия. На этой линии при 1494 ⁰С протекает химическая реакция между - ферритом состава точки Н и жидкостью состава точки В с образованием новой фазы – аустенита состава точки J:

_{H 0,1%C} + Ж_{B 0,5%C} A_{J 0,16%C .}

Точка J перитектическая точка..

Линии NH и NJ – соответственно линии начала и конца аллотропического превращения - феррита в аустенит. Между этими линиями сплавы находятся в двухфазном состоянии: - феррит + аустенит.

Линия ECF – эвтектическая линия. По этой линии при 1145 ⁰С жидкость состава точки С превращается в эвтектическую смесь кристаллов аустенита состава точки Е и цементита, называемую ледебуритом:

Ж_{C 4,3%C} A_{E 2,14%C} + Ц _{6,67%C ..}

Точка С - эвтектическая точка. Сплав состава точки С (4,3%С) называется эвтектическим и состоит только из ледебурита.

Область NJESG – область существования аустенита. Линия ES – линия предельной растворимости углерода в аустените. При охлаждении сплавов от 1145 до 723 ⁰С растворимость углерода в аустените уменьшается в 2,14 до 0,8% и избыточный углерод выделяется в виде цементита вторичного.

Линии GS и PG – соответственно линии начала и конца аллотропического превращения аустенита в феррит. Между этими линиями сплавы находятся в двухфазном состоянии: аустенит + феррит.

Линия PSK – эвтектоидная линия. По этой линии при 723 ⁰С аустенит состава точки S превращается в эвтектоидную смесь феррита состава точки Р и цементита, называемую перлитом:

A_{S 0,8%C} Ф _P0,02%C +Ц_..

Точка S – эвтектоидная точка. Сплав состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидным и состоит только из перлита.

2.4. Углеродистые стали

2.4.1. М и к р о с т р у к т у р ы у г л е р о д и с т ы х с т а л е й. Стабильные равновесные структуры сталей получаются при медленном охлаждении аустенита и отвечают диаграмме Fe – C.

В зависимости от содержания углерода различают следующие структуры сталей при комнатной температуре (рис. 3):

- техническое железо (С 0,006%), структура - феррит (под микроскопом – светлые зёрна);

- доэвтектоидная сталь (С 0,8%), структура - феррит и перлит (перлит под микроскопом - тёмные зёрна). С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается;

- эвтектоидная сталь (С = 0,8%), структура – только перлит (при большом увеличении хорошо различимо пластинчатое строение перлита);

- заэвтектоидная сталь (С 0,8%), структура – только перлит и цементит вторичный (по границам зёрен перлита выделяется цементит вторичный в виде светлой цементной сетки).

Рис.3. Микроструктуры стали

а – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь;

в – эвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь

2.4.2. В л и я н и е у г л е р о д а н а м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а с т а л и. При увеличении содержания углерода в стали твёрдость и прочность доэвтектоидной и эвтектоидной сталей возрастают, а пластичность снижается. Повышение прочности в этих сталях связано с увеличением в структуре количества перлита.

В заэвтектоидной стали с увеличением содержания углерода твёрдость продолжает расти, а прочность _в падает, так как сказывается наличие хрупкого цемента, располагающегося по границам зёрен перлит. При этом снижается и пластичность.

2.4.3. К л а с с и ф и к а ц и я у г л е р о д и с т ы х с т а л е й п о н а з н а ч е н и ю. Углеродистые стали по назначению подразделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин и различных конструкций. Они должны обладать хорошей пластичностью в сочетании с достаточной прочностью. По содержанию углерода и структуре – это доэвтектоидные стали. Углеродистые конструкционные стали выпускаются обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества маркируются значком “Ст” и цифрой от 0 до 7, указывающий номер марки: Ст1, Ст2,…, Ст7. Качественные конструкционные стали маркируются двумя цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Марки: 05, 08, 10, 15, 20, …, 70.

Углеродистые инструментальные стали (по структуре – заэвтектоидные стали и эвтектоидная) маркируются сочетанием буквы У с цифрами, указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8, У9, У10, У12. Буква А в конце марки указывает на высокое качество: У10А (меньше содержится вредных примесей S и P).

2.5.Чугуны

Чугуны, кристаллизующиеся по метастабильной диаграмме Fe – Fe ₃ C (при большой скорости охлаждения или при малом содержании графитизирующего элемента Si), называется белыми. В них углерод присутствует в виде цемента Fe ₃ C, поэтому белые чугуны отличаются очень высокой твёрдостью, для изготовления деталей машин и конструкций практически не применяются.

Как конструкционные сплавы, применяют чугуны серые, ковкие и высокопрочные. В этих чугунах углерод находится в виде графита различной формы: пластичной, хлопьевидной и шаровидной. Чем компактнее форма графита и чем больше в металлической основе перлита, тем выше механические свойства чугуна.

Рис.4. Чугуны: серый (а), ковкий (б), высокопрочный (в)

Серый чугун кристаллизуется по стабильной диаграмме Fe – C (при медленном охлаждении или при большом содержании графитизующего элемента кремния). Графит в нём находится в форме пластин, а металлическая основа может быть ферритной, ферритно – перлитной или перлитной. Обозначение марки серого чугуна включает буквы СЧ (серый чугун) и цифры, указывающие минимальное значение временного сопротивления при растяжении (_в ) в МПа*10^-1. Например, СЧ 25 ГОСТ 1412-85 (_в 250 МПа).

В ковком чугуне графит хлопьевидной формы. Такая форма графита получается при отжиге отливок из белого чугуна при температуре 980 – 1000 ⁰С.. В процессе длительного (несколько часов) отжига цементит белого чугуна разлагается с образованием углерода отжига, выделяющегося в виде хлопьевидного графита Fe ₃C 3Fe + C_отжига.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ (ковкий чугун) и двумя числами: первое число указывает минимальное значение временного сопротивления при растяжении (_в ) в МПа*10^-1, второе число – относительное удлинение () в %. Например, КЧ 35-10 ГОСТ 1215-79 (_в 350 МПа, =10%).

Шаровидная форма графита получается, если при выплавке серого чугуна в расплав добавить модификатор (до 1% магния или церия). Такой модифицированный чугун называется высокопрочным и маркируется буквами ВЧ (высокопрочный чугун) и цифрами, указывающими минимальное значение временного сопротивления при растяжении (_в) в МПа*10^-1. Например, ВЧ 60 ГОСТ 7293-85 (_в 600 МПа).

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 ПРОВИДЕНИЯ 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?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ CПИСОК

1. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. – М. : Металлургия, 1986. – 541 с.