4.1.1. Дослідження мікрошліфів.

Нетравлений стан. Під мікроскопом шліф має вигляд світлого кола з темними ділянками - неметалічні включення чи мікротріщини. Оксиди, сульфіди, нітриди і силікати мають характерну форму, обумовлену їхньою кристалічною будовою і властивостями. При гарячій пластичній деформації вони дробляться або витягаються. Тверді і крихкі оксиди А1₂О₃, Сr₂O₃, SiO₂ мають неправильну форму (рис.4.4, а), легко викришуються, залишаючи характерні "хвости" на мікрошліфі. Пластичні сульфіди FeS, MnS, деякі силікати витягаються (рис.4.4, б) у напрямку дії сил. У сірих, ковких і високоміцних чавунах темні включення вказують на графіт.

Рис.4.4. Неметалічні включення: а – крихкі, б - пластичні

Травлений стан. У мікроскопі формується зображення мікроструктури: межа зерен в однофазних сплавах і окремі структурні складові у багатофазних сплавах.

4.2. Порядок виконання роботи

Отримати зразки і приготувати мікрошліфи. Дослідити їх будову в нетравленому стані. Протравити мікрошліф і дослідити його структуру під мікроскопом. Зарисувати мікроструктури вуглецевих сталей і чавунів.

Лабораторна робота № 5 мікроаналіз вуглецевих сталей і чавунів

Мета роботи: вивчити діаграму стану залізо-цементит, основні процеси, які відбуваються по її лініях, фазовий та структурний склад сплавів в різних областях діаграми Fe-Fe₃C, класифікацію і маркування вуглецевих сталей і чавунів та їх призначення, отримати практичні навички мікроструктурного дослідження сталей і чавунів.

Забезпечення роботи: мікроскоп МІМ-7, набір мікрошліфів сталей і чавунів, набір зразків вуглецевих сталей з різним вмістом вуглецю, твердоміри ТК-2, плакати, альбоми і фотографії мікроструктур сталей і чавунів.

5.1. Теоретичні відомості

Діаграма стану залізо-вуглець дає уявлення про будову залізовуглецевих сплавів – сталей і чавунів. Вміст вуглецю у діаграмі Fe-C обмежується 6,67%, який відповідає хімічної сполуці – карбіду заліза (Fe₃C) або цементиту. Тому цю діаграму називають діаграмою “залізо - цементит” (рис.5.1). Координати її характерних точок наведені в табл. 5.1.

Точка А відповідає температурі плавлення чистого заліза, точка D – плавлення цементиту, точки N і G - температурам поліморфних перетворень Fe_α ↔ Fe_.

Фази, що утворюються в системі Fe - Fe₃C – це рідка фаза, та три тверді фази: ферит, аустеніт і цементит.

Аустеніт (А) – це твердий розчин впровадження вуглецю в -залізі. Граничний вміст вуглецю в аустеніті – 2,14 % (при 1147 ⁰С). При зниженні температури до 727⁰С розчинність вуглецю в Fe_ зменшується до 0,8%. Аустеніт – пластична фаза (δ = 40 ... 50 %), але міцніше фериту (НВ 200 … 250), не магнітний.

Цементит (Ц) – це хімічна сполука заліза з вуглецем, яка містить 6,67 відсотків вуглецю. Цементит – тверда (НВ > 800) і крихка фаза, має складну орторомбічну гратку.

Структурні складові сплавів системи Fe - Fe₃C можуть бути однофазними і двофазними. До однофазних структурних складових відносяться ферит, аустеніт, цементит (первинний, вторинний, третинний). До двофазних структурних складових відносяться перліт і ледебурит.

Перліт (П) – це евтектоїдна механічна суміш фериту і цементиту, які мають звичайно пластинчасту будову. Утворюється перліт із аустеніту по лінії PSK в результаті евтектоїдного перетворення:

(5.1)

Механічні властивості перліту: НВ 180, _В = 800 Мпа, δ = 10%.

Таблиця 5.1

Координати характерних точок діаграми Fe - Fe₃C

Позначення точки	Температура, 0С	Вміст вуглецю, %	Позначення точки	Температура, 0С	Вміст вуглецю, %	Позначення точки	Температура, 0С	Вміст вуглецю, %
A B C D E F	1539 1499 1147 ~1250 1147 1147	0 0,51 4,3 6,67 2,14 6,67	H J N G P S	1499 1499 1392 911 727 727	0,1 0,16 0 0 0,02 0,8	K Q L	727 20 20	6,67 0,006 6,67

Р ис.5.1. Діаграма стану Fe - Fe₃C

Ледебурит (Л) – це евтектична механічна суміш аустеніту і цементу , яка утворюється з рідини по лінії ECF в результаті евтектичного перетворення:

(5.2)

При досягненні температури t=727 ⁰С аустеніт ледебуриту перетворюється в перліт, тому ледебурит при t<727 ⁰С складається з перліту і цементиту. Ледебурит – це тверда (HB 600) і крихка структурна складова. Тому присутність ледебуриту в структурі сплавів, що містять більше 2,14 % С, обумовлює їх нездатність до обробки тиском і затруднює обробку різанням.

Лінії діаграми стану Fe - Fe₃C мають такі позначення та фізичний зміст: АВ, ВС, CD (частини лінії ліквідус АВСD) вказують температуру початку кристалізації із рідкого сплаву відповідно фериту, аустеніту і цементиту первинного; AH, JE (частини лінії солідуса AHJECF) – вказують температуру завершення процесу кристалізації з утворенням відповідно δ-фериту і аустеніту; HJB – лінія перитектичної реакції:

(5.3)

NH, NJ – лінії відповідно початку і кінця поліморфного перетворення δ-фериту в аустеніт (ОЦК→ГЦК); GOS, GMP – лінії відповідно початку і кінця поліморфного перетворення аустеніту в α-ферит (ГЦК→ОЦК); SE, PQ – лінії граничної розчинності вуглецю відповідно в  і α–залізі, початку виділення відповідно з аустеніту цементиту вторинного і з фериту цементиту третинного.

Сплави системи Fe - Fe₃C розподіляються за вмістом вуглецю на технічне залізо (С<0,02 %), сталі (0,02<С<2,14 %) та білі чавуни (2,14<С<6,67 %).

Технічне залізо має структуру фериту та третинного цементиту. Однак через уповільненість дифузійних процесів Ц_ІІІ часто не виділяється і на макрошліфі не виявляється.