Задание

1. Изучить устройство и принцип работы металлографического микроскопа МИМ-7.

2. Кратко описать методику приготовления микрошлифа.

3. Исследовать микроструктуру металлов и сплавов до и после травления.

4. Зарисовать наблюдаемую микроструктуру.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2, 4.

Контрольные вопросы

1. Что является объектом микроанализа?

2. Что называют микроанализом, микроструктурой, микрошлифом?

3. Каково назначение микроанализа?

4. Какова методика приготовления микрошлифа?

5. Для чего производят травление микрошлифа?

6. Приведите примеры травителей, используемых для выявления микроструктуры?

7. Расскажите устройство металлографического микроскопа МИМ-7 (МИМ-8).

8. Как установить требуемое увеличение микроскопа?

9. Дайте определение разрешающей способности микроскопа.

Лабораторная работа №1 (№10)

Исследование структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии методом микроанализа Цель работы

1. Изучить микроструктуру углеродистой стали с различным содержанием углерода.

2. Установить связь между содержанием углерода и структурой стали.

Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографический микроскоп МИМ-7.

2. Набор микрошлифов технического железа и углеродистых ста­лей с различным содержанием углерода в равновесном состоянии.

3. Атлас микроструктур.

Краткие теоретические сведения

Компонентами системы железо-углерод (рис. 7.1) являются железо (Fе) и углерод (С). Железо и углерод образуют следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит и смесь фаз: перлит и ледебурит. Углерод при определенных условиях может выделяться в виде отдельной фазы: графит. Сплав железа с массовой долей углерода до 2,14% (рис. 1) называют сталью. Равновесным состоянием называется такое состояние, при котором все фазовые превращения, присущие сплаву, полностью завершились, и сплав получил минимум свободной энергии. Равновесное состояние наступает при очень медленном охлаждении.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fе-С

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fе (железо имеет ГЦК решетку). Растворимость углерода в ГЦК решетке железа зависит от темпера­туры и составляет при 727°С – 0,8, а при 1147°С – 2,14%. Аустенит имеет низкую твердость, которая зависит от температуры и содержания углерода, и высокую пластичность (δ = 50 %).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-Fе (же­лезо имеет ОЦК решетку). Феррит имеет низкую твердость (НВ 80...90) и высокую пластич­ность (δ = 50%). При просмотре в микроскоп ферритные зерна выгля­дят светлыми, разделенными темной сеткой границ зерен (рис. 2а).

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный -феррит и высокотемпературный -феррит. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном -феррите, имеющем объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК-решетку), равна 0,02% при 727С (точка Р на диаграмме Fe-C) (рис. 1). При понижении температуры растворимость углерода в феррите уменьшается и при 20С равна 0,006% (точка Q).

Феррит мягок (твердость по Бринеллю 70-80 ед.), обладает большим относительным удлинением (до 40%). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых однородных зерен.

Высокотемпературный -феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет ОЦК-решетку. Максимальная растворимость углерода в высокотемпературном -феррите равна 0,004% при 1492С (точка Н).

Цементит (Ц) – химическое соединение углерода с железом Fе₃С (карбид железа). Концентрация углерода в цементите всегда посто­янна и составляет 6,67%. Цементит обладает высокой твердостью (НВ 809) и низкой пластичностью (хрупкостью). Он плохо травится в химических реактивах и при просмотре в микроскоп наблюдается в виде светлых включений. Цементит является метастабильной фазой, т. е. при нагревании до высокой температуры он становиться нестабильным и распадается на стабильные фазы аустенит и графит.

На диаграмме Fе-С (рис. 1) различают три вида цементита:

Первичный цементит (Ц_I) – кристаллизуется из жидкости (в чугунах) при температу­ре, соответствующей линии СD. Под микроскопом наблюдается в ви­де светлых пластин.

Вторичный цементит (Ц_II) – образуется при выделении углерода из аустенита при понижении температуры от 1147 до 727°С (линия ЕS). Под микроскопом в сталях с содержанием более 0,8% С цементит вто­ричный наблюдается в виде сетки по границам зерен.

Третичный цементит (Ц_III) – образуется при выделении углерода из фер­рита при температурах ниже 727 °С. Наблюдается в сплавах с содержанием углерода 0,006…0,02% в виде отдельных островков по границам зерен феррита.

В «стальной» области системе железо-углерод имеются двухфазная структурная составляющая  перлит.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цемен­тита, получающаяся в результате распада аустенита, содержащего 0,8% С,при постоянной температуре на линии эвтектоидного превращения РSК по реакции Аs  Фр + Цк и находится при этой темпе¬ратуре в равновесии с аустенитом состава точки S. Фер­рит и цементит располагаются в виде чередующихся пластинок. Твердость перлита составляет НВ 210, пластичность δ = 15%. Травле­ный перлит под микроскопом выглядит более темным по сравнению с ферритом. При больших увеличениях можно наблюдать перлит в виде че­редующихся темных (цементит) и светлых (феррит) пластинок (рис. 2 г).

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии характеризуется нижней левой частью диаг­раммы состояния Fе-С (рис. 7.1). Сплавы с содержанием до 0,02% С называются техническим же­лезом, от 0,02 до 0,8% С – доэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью; с содержанием от 0,8 до 2,14% С – заэвтектоидными сталями.

Микроструктура технического железа. Растворимость углерода в α-Fе зависит от температуры и изменяется согласно линии PQ (рис. 1). С понижением температуры растворимость углерода уменьшается от 0,02% С (при 727°С ) до 0,006% С (при 20°С). Сплавы железа с со­держанием углерода менее 0,006% имеют структуру феррита (рис. 2а). В сплавах с содержанием от 0,006% С до 0,02% С, в связи с понижением растворимости углерода в α-Fe, при понижении температуры из ферри­та по границам зерен феррита выделяется третичный цементит (Ц_III) (рис. 2б).

а) х500	б) х300
в) х200	г) х2000
	Рисунок 2 – Микроструктура Fe-С сплавов: а, б – техническое железо (Ф (а) и Ф+ЦIII (б)), в – доэвтектоидная сталь (Ф+П), г – эвтектоидная сталь (П), д – заэвтектоидная сталь (П+ ЦII)
д) х500

Микроструктура доэвтектоидной стали (от 0,02 до 0,8% С) состоит из феррита и перлита. После травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит в виде полей полосчатого строения (рис. 2в). Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода коли­чество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается (см. атлас микроструктур).

Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из перлита (рис. 2г). В зависимости от скорости охлаждения плас­тины цементита в перлите могут быть длиннее или короче, толще или тоньше (см. атлас микроструктур).

Микроструктура заэвтектоидной стали (от 0,8 до 2,14% С) состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 2д). Вторичный цементит (Ц_II) выделяется из аустенита при охлаждении от температуры Асm (линия SЕ) до температуры Аc₁ (линия РSК) (рис. 1). При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в ви­де сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аc₁ аустенит превращается в перлит. Образуется структура, состоящая из зерен пластинчатого перлита и вторич­ного цементита в виде сетки по границам перлитных зерен. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка (см. атлас микроструктур).

Рассмотрим процессы формирования равновесных структур сталей на примере сплавов 1-5 (рис 3). В результате первичной кристаллизации стали, независимо от содержания углерода, формируется однородная структура аустенит. При дальнейшем охлаждении сплавов (ниже линий GS и SЕ) (рис. 3) происходят процессы перекристаллизации.

Рисунок 3 – Часть диаграммы состояния сплавов Fе-С, описывающая перекристаллизацию стали

Сплавы 1 и 2. Ниже линии GS начинается процесс полиморфного превращения аустенита в феррит. В процессе по­лиморфного превращения содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, а в феррите – по линии GР. При температурах, соответствующих линии GP, полиморфное превращение заканчивается, и структура сплавов 1 и 2 состоит из зерен феррита. При дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной температуры в сплаве 1 никаких структурных превращений не происходит. В сплаве 2 при температурах ниже линии РQ, вследствие пересыщения феррита углеродом, на поверх­ности зерен феррита образуется третичный цементит. Объемная доля третичного цементита вычисляется по формуле:

Q = (Qt₄/QL)100% (1)

Структура сплава 1 изображена на рис. 2а, сплава 2 – на рис. 2б.

Сплав 3. Сплав 3 представляет собой пример доэвтектоидной стали. Ниже линии GS начинается полиморфное превращение аустенита в феррит. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, то есть при температуре сплава t содержание углерода в феррите и в аустените определяется соответственно точками m и n, а объемная доля феррита и аустенита вычисляется по формулам:

Q_Ф = (tn/mn)100%, (2)

Q_A = (mt/mn)100%, (3)

При охлаждении до температуры 727°С (линия РSК) объемная доля выделившегося феррита состава точки Р определяется по формуле:

Q_Ф = (t₂S/PS)100%, (4)

а объемная доля оставшегося аустенита по формуле:

Q_A = (Pt₂/PS)100%, (5)

Аустенит имеет эвтектоидный состав, соответствующий точке S. Поэтому при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Если пренебречь количеством углерода, содержащемся в феррите, ввиду его малости по сравнению с содержанием в перлите, то содержание углерода в доэвтектоидной стали приближенно можно определить по формуле:

С, % = 0,008П, (6)

где П, % – площадь, занимаемая перлитом в структуре стали.

Например, 30% площади шлифа занято ферритом, 70% перлитом. Тогда содержание углерода в стали будет равно 0,56%. Пример структуры доэвтектоидной стали изображен на рис. 7.2 в.

Сплав 4 является примером эвтектоидной стали. Из диаграммы Fе-С (рис. 3) видно, что при температурах выше точки S сплав состоит из аустенита, а ниже точки S из феррита состава точки Р и цементита состава точки К. Это значит, что при температуре 727°С (точка S) происходит распад аустенита по реакции А_S  Ф_P + Ц_K. Образующаяся смесь феррита и цементита, как уже отмечалось, называется перлитом, а превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным или перлитным превращением. После окончания перлитного превращения сплав будет охлаждаться далее; содержание углерода в пластинках феррита будет уменьшаться согласно линии РQ. При температуре 20°С перлит будет состоять из пластинок феррита с содержанием углерода 0,006% (точка Q) и пластинок цементита с содержанием углерода 6,67% (точка L). Зерна перлита под микроскопом при небольших увеличениях имеют темный цвет. Структура перлита изображена на рис. 2г.

Сплав 5 – это пример заэвтектоидной стали. Ниже температуры t₁ предельная растворимость углерода в аустените уменьшается согласно линии SE; лишний угле­род из внутренних областей зерен аустенита диффундирует на поверхность зерен и образует по границам зерен аустенита сетку цементита вторичного. Когда сплав охладится до температуры эвтектоидного превращения (ли­ния РSК), зерна аустенита будут иметь эвтектоидный состав точки S и превратятся в перлит. Количество выделившегося вторичного цементита определяется по формуле:

Q_Ц = (St₂/SK)100% (7)

Очевидно, что с увеличением содержания углерода в сплаве возрастает количество образовавшегося вторичного цементита. Структура заэвтектоидной стали изображена на рис. 2д.