Порядок выполнения работы

1. Изучить микроструктуру трех видов стали (доэвктоидной, эвктоидной и заэвктоидной). Зарисовать схемы изучаемых микроструктур, обозначить на них структурные составляющие.

2. Сравнением изучаемых микроструктур с эталонными (таблица приложения) определить доли площади шлифа (в %), занимаемых отдельными структурными составляющими, рассчитать содержание углерода в изучаемых сталях и определить их марки.

3. По известным значениям механических свойств структурных составляющих и их содержания определить расчетные значения σ_в^', δ^' и НВ^' и сравнить их со значениями этих показателей по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 14959-79 и ГОСТ 1435-74 (таблица приложения 1). Привести примеры применения этих сталей.

4. По результатам исследований сформулировать выводы, в которых отразить возможности микроанализа сталей.

Контрольные вопросы:

1. Что такое сталь?

2. Перечислите структурные составляющие стали?

3. Дайте определения структурных составляющих сталей и охарактеризуйте их свойства.

4. Какую структуру имеют доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали?

5. Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродистые стали?

6. Как обозначить марку стали, содержащую 0,2; 0,4; 0,8; 1,2% углерода?

7. Укажите типичные марки сталей для изготовления трубопроводов, рессор, пружин и сверл.

Литература для самостоятельной работы:

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.201, 204 – 210.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Изучение технологических процессов сплавления компонент и термической обработки сплавов по диаграмме состояния железо-углерод

5.1. Учебные цели:

1. Отработать навыки решения практических задач по анализу структурных превращений в железоуглеродистых сплавах по диаграмме Fe-Fe₃C.

5.2. Учебные вопросы:

1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

2. Диаграмма Fe-Fe₃C.

3. Процессы в сплавах при охлаждении и нагреве.

5.3. Учебно-справочные материалы по строению и свойствам железоуглеродистых сплавов

Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод. Помимо их в сплавах всегда присутствуют различные примеси.

Железо (Fe) – металл серебристо-серого цвета. Его плотность ρ=7,86 г/см³, температура плавления t_пл =1539ºС. До 911ºС железо имеет кристаллическую решетку объёмно-центрированного куба (Fe_α), выше – гранецентрированного куба (Fe_γ ). При температурах меньших 768ºС (точка Кюри) железо ферромагнитно, при больших – парамагнитно. Иногда парамагнитную модификацию α-железа обозначают Fe_β. Механические свойства железа зависят от содержания в нем примесей. Технически чистое железо имеет σ_в ≈ 250 МПа, δ ≈ 50%.

Углерод (С) – неметалл. Он неограниченно растворяется в жидком (расплавленном) железе и ограниченно в твердом, а также образует с ним химическое соединение Fe₃C (карбид железа). В материаловедении Fe₃C принято называть цементитом.

В равновесном состоянии в сплавах железа с углеродом могут образовываться фазы: феррит, аустенит и цементит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α с максимальной концентрацией С=0,02% при 727ºС и С=0,006% при 20ºС. Как и железо, он ферромагничен при t<768ºС. В сталях и чугунах феррит имеет максимальную концентрацию углерода, соответствующую температуре сплава. Его механические свойства близки к свойствам технически чистого железа: σ_в ≈ 250 МПа, НВ ≈1000 МПа, δ ≈ 30%.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ с максимальной концентрацией С = 2,14% при 1147ºС и С = 0,8% при 727ºС. Он парамагнитен, пластичен, легко деформируется, обладает невысокой прочностью. Конкретные показатели механических свойств аустенита зависят от концентрации в нем углерода и температуры.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe₃C. Концентрация углерода в цементите строго определенная С = 6,67%. Он имеет сложную кристаллическую решетку, отличную от решеток других фаз, обладает высокой твердостью (HRC65–67) и хрупкостью (δ=0%). Цементит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах с C > 0,006%. Различают три вида цементита: первичный (Ц₁) кристаллизующийся из жидкого расплава, вторичный (Ц₁₁), выделяющийся из аустенита при t<1147ºС и третичный, выделяющийся из феррита при t<727ºС. Все виды цементита имеют одинаковые строения и свойства.

Помимо однородных фаз (Ф, А и Ц) в железоуглеродных сплавах существуют и двухфазные структурные составляющие: перлит и ледебурит.

Перлит (эвтектоид) (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая С = 0,8%, Он образуется в процессе охлаждения сплава при 727ºС из аустенита с С = 0,8%. Перлит ферромагнитен. Его механические свойства:

σ_в ≈ 900 МПа, НВ ≈ 2000 МПа, δ≈10%.

Перлит присутствует во всех сплавах с С > 0,006%.

Ледебурит (Л) (эвтектика) – может быть первичным (Л₁) и вторичным (Л₁₁). Л₁ механическая смесь аустенита и цементита концентрацией 4,3%. Он кристаллизуется из жидкого расплава, имеющего концентрацию С=4,3% при 1147ºС. При 727ºС аустенит, входящий в состав Л₁ превращается в перлит. Образующаяся при этом структура – механическая смесь перлита и цементита с С=4,3% и есть Л₁₁. Л₁₁ вторичный характеризуется высокой твердостью (HRC60–64) и хрупкостью (δ=0).