«В. В. Тарасов, С. Б. Малышко Лабораторный практикум по материаловедению Учебное пособие Рекомендовано научно-методическим советом Морского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов и ...»

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»

В. В. Тарасов, С. Б. Малышко

Лабораторный практикум

по материаловедению

Учебное пособие

Рекомендовано научно-методическим советом

Морского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов и курсантов технических специальностей Владивосток 2012 УДК 669. 01 (075.8) Тарасов, В. В. Лабораторный практикум по материаловедению [Текст] : учеб.пособие / В. В. Тарасов, С.Б. Малышко. – Владивосток :

Мор. гос. ун-т, 2012. – 138 с.

Написано в соответствии с государственными стандартами. Изложены методы определения твердости, прочности металлов и сплавов.

Приведено исследование микроструктуры углеродистых сталей и чугунов, сплавов на медной основе, алюминиевых сплавов, а также антифрикционных сплавов, применяемых в судовом машиностроении.

Рассмотрены основные виды термической обработки и показано ее влияние на изменение механических свойств.

Предназначено для студентов и курсантов технических специальностей, где курс «Материаловедение» изучается в блоке общепрофессиональных дисциплин Ил. 45, табл. 36.

Рецензенты:

И. Н. Мутылина, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой материаловедения и технологии материалов Инженерной школы ДВФУ Е. В. Ружицкая, канд. техн. наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов Инженерной школы ДВФУ © В. В. Тарасов, С.Б. Малышко, © Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского,

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов и курсантов технических специальностей вузов, при подготовке которых предусмотрено изучение курса «Материаловедение» в блоке общепрофессиональных дисциплин.

Изучение курса «Материаловедение» совместно с другими общепрофессиональными дисциплинами направлено на обеспечение общеинженерной подготовки. Одновременно оно способствует более глубокому усвоению профилирующих дисциплин, формирующих специальные знания будущих инженеров.

Изучение этого курса должно дать студентам знания об основных закономерностях, определяющих строение и свойства наиболее распространенных материалов, а также научить выполнять широко применяемые в технике испытания материалов; уметь самостоятельно пользоваться технической и справочной литературой для выбора необходимых материалов и эффективных методов их обработки с целью повышения надежности и долговечности изготовляемых из них деталей применительно к условиям их эксплуатации. Эта цель может быть достигнута в результате самостоятельного выполнения лабораторных работ или практических работ. Именно поэтому, в настоящем учебном пособии приведены основные методы испытания и исследования материалов и даны теоретические основы формирования структуры этих материалов. Анализ полученных практических результатов способствует развитию у студентов навыков самостоятельной работы по исследованию микроструктуры и свойств металлических сплавов. Кроме того, дается возможность научиться обобщению полученных экспериментальных данных путем составления таблиц, построения графиков и схематического изображения микроструктур различных металлических сплавов. Поэтому в учебном пособии наряду с микроструктурами воспроизведенными при помощи металлографического микроскопа приведено и их схематическое изображение. Это позволит лучше усвоить строение металлических сплавов и сопоставить его с их свойствами.

Электронная версия лабораторного практикума доступна в сети Интернет по адресу: http://tm.msun.ru/div/kaf/tm/index.php.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Цель работы Усвоить понятие твердости, изучить сущность ее определения различными методами. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распространенными методами.

Приборы и материалы Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.

1.1. Основные положения Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1.1).

В динамических методах определения твердости нагрузка прилагается ударно. К динамическим методам относятся следующие: твердость по Шору, по Польди.

Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1, а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц – шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:

где НВ – твердость по Бринеллю при применении стального шарика; HBW – твердость по Бринеллю при применении шарика из твердого сплава, МПа (кгс); F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс); А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм2; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.

Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (1).

Толщина образца должна не менее чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

1.3. Последовательность измерения твердости по Бринеллю Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012–59 (в редакции 2007 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.

Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.1.

Диаметр шарика Диапазон твердости HB Усилие, F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1.1.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10) и 30 с или 60 с (при K=2,5).

Пример формы записи твердости по Бринеллю:

250 НВ 5/750 – твердость по Бринеллю 250, определенная при применении стального шарика диаметром 5 мм, при усилии 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с;

575 НВW 2,5/187,5/30 – твердость по Бринеллю 575, определенная при применении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при усилии 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки 30 с При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при усилии 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW: например 220НB, 500НBW.

Данные замеров занести в протокол.

Сущность метода состоит в измерении твердости, определяемой глубиной проникновения в испытуемый металл алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием заданного усилия.

Усилие на наконечник (рис. 1, б) прилагается последовательно:

вначале предварительное F0, равное 10 кгс, затем основное F1. Сумма предварительного и основного усилий составляет общее усилие F.

Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С.

Шкала А. Наконечник с алмазным конусом, общее усилие равняется 60 кгс (10+50) или 588 Н. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов, твердого листового металла, а так же тонких твердых диффузионных поверхностных слоев и покрытий и упрочненных слоев. Предел измерения 20–88 единиц.

Шкала С. Наконечник с алмазным конусом, общее усилие равняется 150 кгс (10+140) или 1471 H. Эта шкала используется при испытании твердости сталей, подвергнутых упрочняющей термической обработке. Предел измерения 20–70 единиц.

Шкала В. Наконечник со стальным шариком. Общее усилие равняется 100 кгс (10+90) или 981 Н. Эта шкала применяется при испытании сталей, не подвергнутых упрочняющей термической обработке, а также цветных сплавов: бронз, латуней и др. Предел измерения 20– 100 единиц.

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013–59 (в редакции 2002 г.).

Твердость, измеренную по методу Роквелла, отсчитывают непосредственно по индикатору твердомера в условных единицах HR, за которыми следует буква, укачивающая шкалу отсчета чисел твердости, например: 70 HRA, 58 HRC, 50 HRB.

Данные замеров занести в протокол.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Протокол испытаний твердости по методу Бринелля.

4. Протокол испытаний твердости по методу Роквелла.

6. Выводы.

Контрольные вопросы для самопроверки 1. Что такое твердость?

2. Классификация методов измерения твердости.

3. Сущность измерения твердости по Бринеллю.

4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики?

5. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются шарики из твердого сплава?

6. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю?

7. Из каких условий выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю?

8. Как определяется нагрузка при испытании на твердость по 9. От чего зависит время выдержки при испытании на твердость 10. Пример записи твердости по Бринеллю?

11. Сущность измерения твердости по Роквеллу?

12. Чему равны усилия: основное, предварительное и общее 13. При замере какой твердости снимается отсчет показании по 14. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

2. ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

Разрывная машина Р 0,5, штангенциркуль, мерительная линейка, набор проволочных образцов.

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497–84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fо и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение l образца (рис. 2.1).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца.

На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр до Рmах и сосредоточенной пластической деформации от Рmах до Рк. Если образец нагрузить в пределах Рупр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится.

Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования.

Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рmах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Рmах до Рк и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (lупр) исчезает, а пластическая (lост) остается (рис. 2.1).

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм2 или МПа (1кгс/мм2=10 МПа).

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Рупр, Рт, Р mах, Рк ) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению.

В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р0,2 (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Участок диаграммы растяжения металла При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.

Условный предел текучести (0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины.

где Р0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение;

равное 0,2 %, кгс (Н); Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Временное сопротивление (предел прочности) в – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

где Рmах – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).

Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.

Истинное сопротивление разрушению (Sк) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца.

где Рк – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н); Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.

Несмотря на то, что Рmах больше Рк, истинное сопротивление разрушению Sк > в, поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Fк значительно меньше начальной площади поперечного сечения Fо.

Для оценки пластичности металла служат относительное удлинение образца после разрыва (, %) и относительное сужение образца после разрыва (, %).

Относительное удлинение после разрыва (, %) определяется по формуле:

где lк – рабочая длина образца после испытания, мм; lо – рабочая длина до испытания, мм.

Относительное сужение поперечного сечения после разрыва (, %) определяется из выражения:

где Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; Fк – площадь сечения образца вместе разрушения, мм2.

Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия.

На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 2.2), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения.

Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (кгс) равна соответствующей ординате диаграммы (мм), умноженной на масштаб диаграммы (2 кгс/мм).

Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2 %. Длина отрезка ОВ (мм) рассчитывается по формуле:

где lо – рабочая длина образца, мм; М – масштаб записи диаграммы по деформации.

Из точки В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения (рис. 2.2), до пересечения с диаграммой.

Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р0,2, Рmах, Рк, после чего рассчитать соответствующее напряжения: 0,2, в, Sк. Полученные данные занести в протокол испытания.

Марка материала _ Площадь поперечного сечения образца Масштаб записи диаграммы по дефорМ Нагрузка, соответствующая пластичеР0,2 кгс скому удлинению образца на 0,2 % 6. Максимальная нагрузка при испытании Рmах кгс Площадь поперечного сечения образца в месте разрушения 10. Рабочая длина образца после испытания lк мм Характеристики прочности и пластичности Временное сопротивление (предел прочности) 13. Истинное сопротивление разрушению Sк 14. Относительное удлинение после разрыва % 1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Диаграмма растяжения (рис. 2.1).

4. Определения основных характеристик прочности и пластичности.

5. Протокол испытаний.

6. Выводы.

Контрольные вопросы для самопроверки 1. Какими механическими свойствами характеризуются конструкционные материалы?

2. Что такое прочность?

3. Что называется деформацией?

4. Что называется упругой деформацией?

5. Что называется пластической деформацией?

6. Как влияет холодная пластическая деформация на прочность и пластичность?

7. Какие характерные участки можно выделить на диаграмме растяжения?

8. Почему пластическая деформация идет при возрастающей нагрузке?

9. Что такое наклеп?

10. Что такое напряжение?

11. Почему различают истинные и условные напряжения?

12. Что такое условный предел текучести, временное сопротивление и истинное сопротивление разрушению?

13. Какие вы знаете характеристики пластичности?

3. МАКРО- И МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СПЛАВОВ

Ознакомиться с методами исследования металлических сплавов, приготовлением образцов для металлографического исследования.

Коллекции макро- и микрошлифов, изломов. Металлографические микроскопы, лупы.

При макроскопическом анализе строение металлического сплава исследуют невооруженным глазом или с помощью лупы. Обычно он является предварительным видом исследования.

Макростроение сплава изучают на образцах или деталях, в изломе или на предварительно подготовленной поверхности, подвергнутой шлифованию и травлению. Такой образец называют макрошлифом.

Если макрошлиф изготовлен в поперечном сечении детали, то его называют темплетом. Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Непосредственно по виду излома можно провести макроскопический анализ и установить многие особенности строения материалов, а в ряде случаев и причины их разрушения. Излом может быть хрупким и вязким.

По форме различают излом ровный или блестящий и с выступами, или чашечный. Первый вид излома характерен для хрупкого состояния, когда разрушение в условиях растяжения или ударного изгиба произошло без видимой пластической деформации, а второй – для вязкого излома. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение, происходит практически без предварительной пластической деформации, в нем можно различить форму и размер зерен металла. Хрупкий излом может проходить по границам зерен (межкристаллический) и по зернам металла (транскристаллический). В сталях хрупкий излом иногда называют нафталинистым, если он транскристаллический и имеет избирательный блеск.

При крупнозернистом строении сплава хрупкий межкристаллический излом называют камневидным.

Вязкий излом имеет волокнистое строение, форма и размер зерен сильно искажены. Ему предшествует, как правило, значительная пластическая деформация.

Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома (рис. 3.1). Он состоит из очага разрушения (места образования микротрещины) и двух зон – усталости 2 и долома 3.

Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры.

Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рис. 3.1. Схематическое строение усталостного излома Макроструктурный анализ проводится на макрошлифах. Макрошлифы подвергают:

глубокому травлению в концентрированных горячих кислотах для выявления волокнистого строения сплава, что важно для определения анизотропии свойств, различных внутренних дефектов металла;

поверхностному травлению для определения химической неоднородности сплава (ликвации).

Чаще всего определяют общую химическую неоднородность сплава по сечению детали.

Конкретно для сталей распределение C, P, S зависит от количества этих элементов, процесса кристаллизации и обработки давлением. Для определения общей ликвации свежеприготовленный макрошлиф погружают на 2 минуты в 10 % раствор двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH4Cl2).

При травлении медь замещает железо и оседает на участках поверхности, обедненных S, P, C, защищает их от дальнейшего растравления. Места, обогащенные примесями, оказываются сильно протравленными. Затем макрошлиф промывают под струей проточной воды и осторожно снимают медь с поверхности ватным тампоном. Полученную картину зарисовывают или фотографируют.

Микроструктурный анализ проводится с целью исследования структуры металлов и сплавов под микроскопом на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав, микротрещины и многое другое.

Микроструктурный анализ проводится на микрошлифах, при приготовлении которых необходимо учитывать что:

– шлиф должен иметь минимальный деформированный слой;

– на поверхности шлифа не должно быть царапин и ямок;

– шлиф должен быть плоским (без "завалов"), чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях.

Шлиф, т.е. образец с плоской отполированной поверхностью, механическим методом готовят следующим образом. Вначале производят обработку образца на плоскость (заторцовку) с помощью круга.

По краям следует снять фаску, чтобы при последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем производят шлифовку на специальной бумаге с разной величиной зерна абразива, уложенной на стекло. При переходе к следующему номеру бумаги образец разворачивают на 90 и шлифуют до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки. После шлифования на последней бумаге шлиф промывают в воде, чтобы частички абразива не попали на полировальный круг. После шлифовки производят полировку. Шлиф слегка прижимают к вращающемуся кругу, на который натянуто сукно. Полировальный круг все время смачивается суспензией – взвесью тонкого абразива в воде. Абразивами для полировки служат окись алюминия (белого цвета), окись хрома (зеленого цвета) или другие окислы.

Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком или алмазные круги. Полировку производят до получения зеркальной поверхности. После полировки шлиф промывают в воде или спирте, сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой. Ее следует прикладывать к зеркалу шлифа, а не водить по нему.

После полировки микроструктура, как правило, не бывает видна.

Исключением являются сплавы, структурные составляющие которых сильно различаются по составу и твердости, в результате чего одни участки шлифа сполировываются больше, другие меньше, и на поверхности образуется рельеф.

Для выявления микроструктуры шлиф подвергают травлению – кратковременному действию реактива. Травитель и время травления подбирают опытным путем.

Механизм выявления структуры сплава довольно сложен. Те участки шлифа, которые сильно растравлены, кажутся под микроскопом более темными т.к., чем сильнее растравлена поверхность, тем больше она рассеивает свет и меньше света отражает в объектив.

В образце с однофазной структурой границы между зернами растравливаются сильнее, чем тело зерна, и под микроскопом видны канавки в виде темной сетки (рис. 3.2). Разные зерна одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся по-разному. Поэтому зерна одной фазы могут иметь различные оттенки.

В многофазном сплаве различные фазы и структурные составляющие травятся различно. Смесь фаз подвергается не только простому химическому действию реактивов, но и электрохимическому травлению, т.к. смесь фаз является совокупностью микрогальванических элементов. Растворяются частички, являющиеся микроанодами по отношению к другим частицам – микрокатодам.

В результате такого сложного действия травителя выявляется микростроение образца. После травления шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и ставят на столик микроскопа.

Разрешающая способность глаза ограничена и составляет 0,2 мм.

Разрешающая способность характеризуется разрешающим расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Чтобы увеличить разрешающую способность, используется микроскоп. Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

где – длина волны света; n – показатель преломления среды, находящейся между объективом и объектом; – угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящих в объектив пучка лучей, дающих изображение.

Произведение n·sin =A называют числовой апертурой объектива.

Эта важнейшая характеристика объектива выгравирована на его оправе. В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Объектив дает увеличенное промежуточное изображение объекта, которое рассматривают в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта и не может повысить разрешающей способности микроскопа.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. Рекомендуется начинать микроанализ с использованием слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на большой площади. После просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа используют объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть необходимые мелкие детали структуры.

Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, 7х).

В металлографии микроанализу подвергаются непрозрачные для световых лучей объекты – микрошлифы, которые рассматривают в микроскоп в отраженном свете. Наводку на резкость осуществляют грубо, вращением макровинта. Тонкую наводку на резкость – вращением микровинта, который перемещает объектив по отношению к неподвижному предметному столику.

Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают винтами относительно неподвижного объектива в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Величина зерна оказывает существенное влияние на свойства сплава. По методу "секущей" подсчет числа зерен на выделенной площади заменяется подсчетом стыков (границ) плоских зерен.

Для определения диаметра зерна dз при данном увеличении микроскопа (100x) необходимо, используя окуляр (7x), имеющий измерительную линейку, посчитать на контрольном образце количество пересечений границ с осью шкалы окуляра "секущей". Аналогичный расчет проводится в двух других полях зрения. При подсчете определяют среднее арифметическое значение числа пересечений. Диаметр зерна определяют по формуле:

где dз – диаметр зерна, мм; l – длина секущей, мм; m – цена деления секущей при данном увеличении микроскопа; nср – среднее количество пересечений.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Рисунок излома контрольного образца и его характеристика.

4. Рисунок выявленной микроструктуры с описанием ее 5. Расчет величины зерна выявленной микроструктуры.

1. При каких увеличениях проводят макроанализ?

2. Что такое макрошлиф?

3. Какие задачи можно решить методами макроанализа?

4. Какие виды хрупкого излома возможны?

5. Какие участки можно различить в усталостном изломе?

6. Для чего проводят глубокое и поверхностное травление?

7. Каким образом определяют общую химическую неоднородность?

8. Какие задачи можно решать с помощью микроанализа?

9. Как приготовить микрошлиф?

10. Что такое разрешающая способность микроскопа?

4. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Научиться анализировать фазовые превращения при охлаждении сплавов двойных систем: твердых растворов, эвтектического типа;

изображать схемы микроструктур сплавов.

Микроструктура сплава формируется в процессах кристаллизации расплава, фазовых превращений и структурных изменений в твердом состоянии, происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке. В сплавах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы. Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве.

Несмотря на многообразие факторов, влияющих на формирование микроструктуры сплава, важнейшие ее особенности можно предсказать, используя диаграмму состояния. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Вместе с тем следует помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается во времени и в неравновесных условиях (при ускоренном охлаждении, при больших степенях пластической деформации и т.д.).

Далее приведены сведения о типичных диаграммах состояния двойных систем, которые необходимо знать, прежде чем приступить к изучению микростроения промышленных сплавов.

4.2. Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки, и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис. 4.1) имеет простой вид и состоит из двух линий – ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В.

Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии и кривая охлаждения сплава Х Верхнюю кривую на диаграмме называют линией ликвидуса.

Выше этой линии все сплавы системы А – В однофазны и находятся в жидком состоянии (Ж). Нижнюю кривую диаграммы называют линией солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы однофазны и состоят из кристаллов -раствора. В интервале температур между кривыми ликвидуса и солидуса, называемом интервалом кристаллизации, или интервалом плавления, все сплавы состоят из двух фаз: жидкости и кристаллов -раствора.

Кривые ликвидуса и солидуса – это геометрическое место точек, отвечающих температурам начала и конца кристаллизации различных сплавов системы А – В. Кроме того, эти кривые отображают составы равновесных фаз (Ж и ) в различных сплавах и интервале их кристализации, т.е. изображают составы насыщенных один относительно другого жидких и твердых растворов.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава Х. При температуре выше t1 (температура начала кристаллизации) этот сплав представляет собой ненасыщенный жидкий раствор. Как только температура сплава понизится до температуры t1, жидкий раствор станет насыщенным относительно -кристаллов и понижение температуры ниже t приведет к выделению из жидкости состава точки 1 первичных кристаллов -раствора состава точки 1, расположенной на кривой солидуса. Составы жидкости и выпавших из нее -кристаллов изменяются при понижении температуры от t1 до t2 в соответствии с кривыми ликвидуса и солидуса: жидкости – от точки 1 до точки 2, кристаллов – от точки 1 до 2. Следовательно, в интервале кристаллизации в объемах сосуществующих фаз должна протекать выравнивающая диффузия. Рассмотренный процесс первичной кристаллизации сплава Х можно записать как:

При температуре конца кристаллизации (t2) последние следы жидкой фазы (состава точки 2) исчезнут, и сплав будет состоять из кристаллов (состава точки 2). При охлаждении от температуры t2 до комнатной в сплаве не происходит фазовых превращений. После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора, состав которого соответствует составу сплава (рис. 4.2). Зерна под микроскопом могут иметь неодинаковый цвет (более темный или более светлый), т.к. в сечении шлифа попадают различные кристаллографические плоскости по-разному ориентированных в пространстве кристаллов. Аналогичную структуру будут иметь все однофазные сплавы, а также чистые компоненты. Поэтому по структуре однофазного материала после равновесной кристаллизации нельзя определить что это: твердый раствор или чистый металл. Форма и размеры зерен не являются специфическими для того или иного сплава, а зависят от условий кристаллизации.

Рис. 4.2. Схема структуры однофазного сплава Х 4. 3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные Ограниченная растворимость наиболее часто встречается в металлических сплавах. На рис.4.3, 4.4 представлены фазовая и структурная диаграммы состояния с эвтектическим превращением.

При температуре tе в системе А – В протекает эвтектическое превращение Это превращение происходит во всех сплавах, расположенных по составу между точками а и b. Горизонталь аb и точку е на этой горизонтали называют эвтектическими, а смесь кристаллов (а + b), которые выделяется из жидкости при эвтектической кристаллизации – эвтектикой. Эвтектика (от греч. utektos – легко плавящийся) – это высокодисперсная смесь кристаллов двух и более фаз, одновременно кристаллизующихся из жидкости при постоянной температуре и концентрации компонентов.

Кривые аа1 и bb1, показывающие как изменяется растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии при понижении температур от эвтектической до комнатной, называют сольвусами и -твердых растворов.

Сплавы, расположенные от точки а до точки е, называют доэвтектическими. Сплавы, расположенные от точки е до точки b – заэвтектическими. Сплав, состава точки е, называют эвтектическим, или просто эвтектикой.

Рис. 4.3. Фазовая диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику Рис. 4.4. Структурная диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику Кристаллизация граничных - и -растворов в сплавах, состав которых находится в интервале А – а1 и В – b1, протекает также, как у сплавов системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Эти сплавы однофазны, поэтому их структура аналогична структуре, представленной на рис. 4.2.

Сплавы, состав которых находится в интервалах а1 – с и d – b1, не претерпевают эвтектического превращения. Рассмотрим процессы фазовых превращений на примере сплава Х1 (рис. 4.3). В интервале температур t1 – t2 сплав Х1 кристаллизуется как граничный -твердый раствор, идет первичная кристаллизация.

При охлаждении от температуры t2 до температуры t3 в нем не протекают никакие фазовые превращения. Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса аа1, граничный -раствор состава точки 3 станет насыщенным относительно граничного твердого раствора состава точки 3. Поэтому при дальнейшем понижении температуры от t3 до комнатной из -кристаллов, изменяющих свой состав по кривой 3а1, выделяются вторичные кристаллы -фазы, состав которых будет изменяться по кривой 3b1. Этот процесс можно записать так:

При комнатной температуре кристаллы -фазы состава а1 окажутся в равновесии с кристаллами состава b1. Доля обеих фаз по правилу рычага измеряется отношением отрезков.

Под микроскопом в структуре сплава Х1 можно увидеть кристаллы двух видов: первичные кристаллы -раствора (основа сплава) и вторичные -кристаллы. Вторичные выделения образуются по границам и внутри зерен исходной фазы. Вторичные выделения обычно имеют пластинчатую или иглообразную форму, иногда они имеют вид тонких прослоек или компактных частиц, располагающихся по границам первичных зерен (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схемы структуры сплава Х1 с вторичными выделениями пластинчатой формы (а), в виде тонких прослоек (б) или компактных частиц (в) В сплаве Х1 имеются две структурные составляющие первичные кристаллы -фазы и вторичные кристаллы. Под структурными составляющими в сплавах понимают такие самостоятельные элементы их микроструктуры, которые при рассмотрении под микроскопом имеют свое характерное однородное строение. Для сплава Х1 понятие "структурная составляющая" и "фаза" совпадают, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно - или -фаза Более сложную структуру имеют до- и заэвтектические сплавы, в которых помимо первичных - или -кристаллов, выделяется эвтектиtе ка Ж е а +, а при охлаждении в твердом состоянии в интерb вале температур от tе до комнатной из - и -кристаллов выделяются вторичные кристаллы - и -кристаллы.

В заэвтектическом сплаве Х2 (рис. 4.3) процесс первичной кристаллизации пройдет по схеме:

Из оставшейся жидкости Же выделяется эвтектика – смесь криtе сталлов (а+b), т. е.

По окончании кристаллизации сплав Х2 состоит из первичных кристаллов b и эвтектики (а+b). Так как при эвтектической температуре сплав Х2 состоит из кристаллов предельно насыщенных а- и b-растворов, а с понижением температуры взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается, то при охлаждении до комнатной температуры из -кристаллов (первичных и эвтектических) будут выделяться вторичные -кристаллы, а из эвтектических кристаллов – соответственно вторичные -кристаллы.

Возможные варианты микроструктуры сплава Х2 показаны на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схемы структур заэвтектического сплава Х2 с эвтектикой и первичными кристаллами в форме многогранников (а) и дендритов (б) Первичные -кристаллы могут иметь четкую огранку (рис. 4.6, а) или дендритную форму (рис. 4.6, б). Вокруг первичных -кристаллов видна вторая структурная составляющая – эвтектика ( + ), имеющая пластинчатое или другое строение. Внутри первичных кристаллов в небольшом количестве находится третья структурная составляющая – вторичные -кристаллы. Выделения вторичных кристаллов в эвтектике незаметны, так как сама эвтектика – дисперсная смесь двух видов кристаллов. Структура других заэвтектических сплавов аналогична разобранной. Различие состоит лишь в соотношении объемов структурных составляющих.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Изображение диаграмм состояния двойных систем с нанесением ординат заданных сплавов.

4. Кривые охлаждения этих сплавов.

5. Схемы микроструктур сплавов.

1. Дайте определение понятиям "фаза", "структура", "диаграмма 2. В каком случае возможна полная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии?

3. Что показывают линии ликвидуса и солидуса?

4. Опишите процесс первичной кристаллизации в сплавах – твердых растворах.

5. Какова микроструктура однофазного сплава после равновесной кристаллизации?

6. Что такое эвтектика? Какое строение она имеет?

7. Как определить долю эвтектики и первичных кристаллов по диаграмме состояния?

8. Какие структурные составляющие имеют до и заэвтектические сплавы?

9. Что показывает линия сольвуса?

10. Какова возможная форма выделений вторичных кристаллов?

5. ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Изучить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Разобраться с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и нагреве.

Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C.

Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе "железо – карбид железа", и стабильном, отражающем превращения в системе "железо – графит". Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния "железо – карбид железа", т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния "железо – цементит" (Fe – Fe3C).

5.2. Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe. Имеет ГЦК-решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (160–200 HB).

Феррит (обозначают Ф или ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe. Имеет ОЦК-решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 C), при 20 C менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 C, твердость (80-100 HB).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (800 HB) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 C.

5.3. Превращения в железоуглеродистых сплавах Диаграмма состояния Fe – Fe3C (рис. 5.1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограниченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe – Fe3C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 C) Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 C) Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П).

Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Лпр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (700 HB) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (210 HB).

5.4. Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD – линия выделения первичного цементита.

AE – заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF – линия эвтектического превращения.

GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910–727 C).

GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK – линия эвтектоидного превращения.

ES – линия выделения вторичного цементита.

PQ – линия выделения третичного цементита.

5.5. Области диаграммы состояния Fe – Fe3C Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I – Жидкий раствор (Ж).

II – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).

IV – Кристаллы аустенита (А).

V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI – Кристаллы феррита (Ф).

VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).

VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).

IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).

XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).

XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Л пр).

XIII –Кристаллы ледебурита (Л) и цементита первичного (ЦI).

XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI) и ледебурита превращенного (Л пр).

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Диаграмма состояния Fe – Fe3C с обозначением фаз и структурных составляющих по всем областям диаграммы.

4. Характеристика линий и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.

5. Подробное описание изменений структуры при медленном охлаждении контрольного сплава. Варианты контрольных сплавов указаны в табл.5.1. Фрагмент диаграммы с контрольным сплавом изображен на рис. 5.2.

6. Схема микроструктуры контрольного сплава при нормальной Рис. 5.2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C с нанесенной ординатой Контрольные вопросы для самопроверки 1. Что такое фаза?

2. Что такое аустенит?

3. Что такое феррит?

4. Что такое цементит?

5. Какими линиями диаграммы ограничивается температурный интервал первичной кристаллизации?

6. В чем состоит сущность эвтектического превращения?

7. В чем состоит сущность эвтектоидного превращения?

8. Что такое ледебурит?

9. Что такое перлит?

10. На какой линии происходят эвтектические превращения?

11. На какой линии происходят эвтектоидные превращения?

12. Линия выделения первичного цементита?

13. Линия выделения вторичного цементита?

14. Линия выделения третичного цементита?

15. Назовите фазы железоуглеродистых сплавов.

16. Максимальное растворение углерода в Fe?

17. Максимальное растворение углерода в Fe?

18. Содержание углерода в цементите?

19. При какой температуре происходит эвтектическое превращение?

20. При какой температуре происходит эвтектоидное превращение?

6. МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей.

Металлографический микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии с различной массовой долей углерода.

6.1.1. Компоненты и фазы в углеродистых сталях в равновесном К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %. Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910 °С, железо существует в -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется -железом. В интервале температур от °С до 1392 °С существует -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях железо и углерод взаимодействуют, образуя в зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

Согласно фазовой диаграмме "железо – цементит" (рис. 6.1, а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз:

феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует процентов цементита. Исходя из этого, массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.

Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме "железо – цементит" (рис. 6.1, б).

Рис. 6.1. Фрагмент диаграммы состояния “железо – цементит”:

6.1.2. Влияние массовой доли углерода на структуру и механические По структуре углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 6.2, б). Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатаной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 6.2, б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют феррито-перлитную структуру (рис. 6.2, а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 6.2, в).

Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

6.1.3. Определение массовой доли углерода в стали и марки стали Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

Рис 6.2. Микроструктура углеродистых сталей:

а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %;

0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (1), можно по табл. 6.2 определить марку этой стали.

6.1.4. Влияние примесей на свойства сталей В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей: марганец, кремний, сера, фосфор и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Марганец и кремний в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; сера и фосфор в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; хром и никель переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого.

Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, марганец и кремний являются полезными примесями, они раскисляют сталь, повышают твердость и прочность. Фосфор придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а сера – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Таким образом, сера и фосфор являются вредными примесями. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

6.1.5. Маркировка углеродистых сталей По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380–2005). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 6.1). Буквы "Ст" обозначают "Сталь". Цифра – условный номер марки в зависимости от химического состава. Если в конце марки стоят буквы "кп" – это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если "сп" – сталь спокойная, получаемая полным раскислением (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс" – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения, в судостроении могут применять как корпусные.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050–88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 6.2). Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %.

Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы и т.п.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы, пружины и т.п.

3. Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435–99).

Эти стали маркируются буквой У, что означает углеродистая сталь, и следующими за ней цифрами, показывающими среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 6.3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У9, У10, У12). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, молотки и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380– Химический состав углеродистых инструментальных качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435– Марки 1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Фазовая и структурная диаграммы Fe – Fe3С (рис. 6.1).

4. Расчет массовой доли углерода доэвтектоидной стали.

5. Схемы микроструктур углеродистых сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, с указанием марки стали, ее химического состава и механических свойств, назначения стали.

6. Вывод.

Контрольные вопросы для самопроверки 1. Что такое сталь?

2. Компоненты углеродистых сталей.

3. Дать определение фаз углеродистых сталей (феррита, цементита, аустенита).

4. Охарактеризовать механические свойства феррита и цементита.

5. Как влияет массовая доля углерода на количественное соотношение фаз и механические свойства стали?

6. Что такое перлит?

7. Структурные составляющие углеродистых сталей и особенности их механических свойств.

8. Как углеродистые стали подразделяются по структуре?

9. Как углеродистые стали классифицируются по назначению ?

10. Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродистые стали?

11. Какие вредные примеси есть в сталях, и как они влияют на 12. Какие примеси вводят в сталь при раскислении?

13. Как подразделяются углеродистые стали по качеству?

14. Как применяются низко-, средне- и высокоуглеродистые конструкционные стали?

15. Как применяются инструментальные углеродистые стали?

7. МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Исследовать металлографически микроструктуру белых и графитизированных чугунов. Изучить маркировку и практическое применение графитизированных чугунов.

Металлографические микроскопы. Коллекция микрошлифов чугунов.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С (рис. 7.1).

Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4–4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.

Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (Fe3C – цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той, или иной формы, называются графитизированными.

Микроскопический анализ белых чугунов проводят, используя диаграмму состояния Fe – Fe3С (рис. 7.l). Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (450–550 HB), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.

Обычной структурной составляющей белых чугунов является ледебурит. Ледебуритом называют смесь аустенита и цементита, образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.

Чугун, содержащий 4,3 % углерода (точка С), называется белым эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а правее – заэвтектические белые чугуны.

В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика – ледебурит.

Рис. 7.1. Структурная диаграмма состояния системы железо – цементит При охлаждении чугуна в интервале температур от 1147 °С до 727 °С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C ауcтенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф + Ц) Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом трудно различить включения вторичного цементита.

Таким образом, при комнатной температуре в доэвтектических белых чугунах находятся три структурные составляющие – перлит, вторичный цементит и ледебурит превращенный (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Микроструктура белых чугунов (слева схематическое изображение):

а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический Последний, в свою очередь, состоит из перлита и цементита.

Эвтектический белый чугун при комнатной температуре состоит из одной структурной составляющей – ледебурита превращенного.

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит.

При комнатной температуре заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит превращенный.

Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.

В зависимости от формы графитных включений различают серые, высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным графитом.

Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1–3 % Si, обладающего сильным графитизирующим действием.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Он хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т.д.

Серые чугуны согласно ГОСТ 1412–85 маркируются буквами "СЧ" и далее следует величина предела прочности при растяжении (в кгс/мм2), например СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35 (табл. 7.1).

Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включений на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации.

Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода.

Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т.е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит.

Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рис. 7.3, а). Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на ферритоперлитной основе.

Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.

В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают модифицированием серого чугуна щелочно-земельными элементами.

Чаще для этого используют магний, вводя его в жидкий расплав в количестве 0,02–0,03 %. Под действием магния графит кристаллизуется в шаровидной форме (рис.7.3, б). Шаровидные включения графита в металлической матрице не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинки графита в сером чугуне. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.

Маркируют высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293–85 буквами "ВЧ" и далее следуют величина предела прочности при растяжении (в кгс/мм2), например ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 80 (табл. 7.4). Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными. Высокопрочный чугун используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. Высокие механические свойства дают возможность широко применять его для производства отливок ответственного назначения, в том числе и в судовом машиностроении:

головок цилиндров, турбокомпрессоров, напорных труб, коленчатых и распределительных валов и т.п.

Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна.

Получение ковкого чугуна основано на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при повышенных температурах образуется графит отжига белого чугуна. Мелкие изделия сложной конфигурации, отлитые из белого чугуна, отжигают (получают ковкий чугун) для придания достаточной пластичности, необходимой при их использовании в работе. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215–79 маркируют буквами "КЧ" и далее следуют величина предела прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительного удлинения (в %), например, КЧ 35-10, КЧ 60-3 (табл. 7.2). Графитизация идет путем растворения метастабильного цементита в аустените и одновременного выделения из аустенита более стабильного графита. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлаждения, тем полнее проходит графитизация. В зависимости от графитизации встречаются те же три основные типа структур, что и в сером чугуне: ковкие чугуны на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах (рис. 7.3, в). От серых (литейных) чугунов ковкие чугуны отличаются по микроструктуре только формой графита.

Если на шлифах (рис. 7.3, а) серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включении с рваными краями. Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.

Чугуны с вермикулярным графитом получают, как и высокопрочные чугуны, модифицированием, только в расплав при этом вводится комплексный модификатор, содержащий магний и редкоземельные металлы. Маркируют чугуны с вермикулярным графитом согласно ГОСТ 28394–89 буквами "ЧВГ" и далее следует цифра, обозначающая величину предела прочности при растяжении (кгс/мм2), например, ЧВГ З0, ЧВГ 45 (табл. 7.3). Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. 7.3, г). Микроструктура металлической основы ЧВГ также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и феррито-перлитной.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярным графитом более технологичны, чем высокопрочные и соперничают с серыми чугунами. Для них характерны высокая жидкотекучесть, хорошая обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярньм графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется для производства цилиндровых крышек и втулок, поршней судовых и тепловозных двигателей, корпусов газовых турбин и компрессоров.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Фрагмент диаграммы Fе – Fe3C (2,14–6,67 % С).

4. Схемы микроструктур исследованных образцов c указанием их 5. Выводы.

1. Какие сплавы относятся к чугунам?

2. На какие группы подразделяют чугуны?

3. Какую диаграмму состояния используют при анализе микроструктуры белых чугунов?

4. Почему белый чугун имеет ограниченное использование?

5. Что называют ледебуритом?

6. Какой процесс протекает в белых чугунах при переохлаждении расплава ниже 1147 °С?

7. Сколько углерода содержится в эвтектическом белом чугуне?

8. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом доэвтектическом чугуне?

9. Сколько структурных составляющих, можно увидеть при комнатной температуре в белом эвтектическом чугуне?

10. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом заэвтектическом чугуне?

11. Каким методом получают серый, ковкий, высокопрочный чугун и чугун с вермикулярным графитом?

12. Как маркируются чугуны?

13. От каких факторов зависит степень графитизации?

14. Как применяют графитизированные чугуны?

8. ПОЛНЫЙ ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Получение навыков выбора параметров режима и выполнения операций полного отжига и нормализации стали.

Прибор для определения твердости, лабораторные печи, шлифовальный станок, образцы.

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали – эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с цементитом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается Собразными кривыми, построенными в координатах "температуравремя" на диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 8.1).

При температуре 727 C (точка А1) аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита.

Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 C. Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т.е. отрезком времени (от оси ординат до С-кривой, рис. 8.1), в течение которого обычные методы исследования не фиксируют появление продуктов распада.

Эвтектоидная смесь феррита с цементитом растет от отдельных центров в виде колоний. Важнейшей характеристикой эвтектоида является дисперсность феррита и цементита внутри его колоний. Мерой этой дисперсности служит межпластинчатое расстояние 0 (рис. 8.2).

Межпластинчатым расстоянием называется средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита.

В зависимости от дисперсности пластин в эвтектоиде его называют перлитом, сорбитом или трооститом.

Рис. 8.1. Диаграмма изотермического распада аустенита Перлит образуется при небольших степенях переохлаждения (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и строение его можно выявить при малых и средних увеличениях микроскопа. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен, и микростроение сорбита выявляется только при больших увеличениях микроскопа.

Троостит образуется еще при больших степенях переохлаждения, и его внутреннее строение трудно выявить даже при очень больших увеличениях светового микроскопа. С увеличением дисперсности эвтектоидной смеси возрастают твердость, предел прочности и предел текучести.

Так как подразделение эвтектоида на перлит, сорбит и тростит условно, и между ними нет четкой границы, то их различают по твердости. Например, в стали У8 твердость перлита 170–230 HB, сорбита 230–330 HB, троостита 330–400 HB.

Рис. 8.2. Схема феррито-цементитной структуры При полном отжиге доэвтектоидная сталь после нагрева выше критической точки АC3 на 30–50 C (рис. 8.3) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения.

Рис. 8.3. Участок диаграммы Fe – Fe3C c нанесенным интервалом Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500–600 C, если не опасны термические напряжения.

Полный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

При нормализации сталь нагревают до температур на 30–50 C выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (рис. 8.3). Ускоренное, по сравнению с отжигом, охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида. После нормализации сталь должна иметь большую прочность, чем после отжига. Нормализацию применяют чаще как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (охлаждение не с печью, а на воздухе), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операция смягчения стали.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к малоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше линии SE (рис.8.3) вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали.

1. Название работы 2. Цель работы 3. Участок диаграммы Fe – Fe3C (рис. 8.3).

4. Выбранные параметры режима полного отжига и нормализации для заданной стали.

5. Значения твердости до и после термической обработки.

Контрольные вопросы для самопроверки 1. В чем заключается процесс полного отжига доэвтектоидной 2. Что такое нормализация?

3. Какие структурные изменения происходят при полном отжиге?

4. Как выбирают температуру нагрева для отжига доэвтектоидной 5. В каких случаях назначают полный отжиг стали?

6. В каких случаях назначают нормализацию стали?

7. Что служит мерой дисперсности эвтектоида?

8. Как меняются механические свойства с увеличением дисперсности эвтектоида?

9. Как на практике различают перлит, сорбит и троостит?

10. Какую структуру имеет нормализованная сталь?

11. Какую структуру имеет отожженная сталь?

9. ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Изучить процесс закалки стали; исследовать влияние массовой доли углерода на закаливаемость стали.

Прибор для определения твердости, муфельные лабораторные печи, оснащенные приборами для контроля температур, закалочные баки с охлаждающими средами, шлифовальный станок, образцы стали в отожженном состоянии.

9.1.1. Мартенситное превращение в стали Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении углеродистой стали с температуры выше А1 (рис. 9.1), например в воде, при этом подавляется диффузионный распад аустенита на смесь двух фаз (феррита и цементита). Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените. Следовательно, в отличие от перлитного превращения мартенситное превращение – бездиффузионное. При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов полиморфное превращение происходит, но при этом углерод не успевает выделиться из раствора в виде карбидной фазы. Поэтому мартенсит, образующийся в результате бездиффузионного полиморфного превращения аустенита в углеродистой стали, всегда является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в железе. Мартенсит отличается от аустенита кристаллической решеткой; у аустенита гранецентрированная решетка -железа, а у мартенсита – тетрагональная, близкая к объемно центрированной кубической решетке -железа.

Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении начинается и заканчивается при определенных для каждой марки стали температурах – температуре начала (МH) и конца (МК) мартенситного превращения. На схеме диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (рис. 9.1) условно показана область мартенситного превращения. Условно потому, что в изотермических условиях мартенситное превращение не развивается.

Рис. 9.1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали: А – устойчивый аустенит, Аост – остаточный аустенит, Ап – переохлажденный аустенит; М – мартенсит, Температура начала мартенситного превращения в отличие от температуры начала перлитного превращения, не зависит от скорости охлаждения. На положение мартенситной точки (МH) влияет содержание углерода в стали, с увеличением которого снижается МH. При температуре мартенситной точки МH превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже мартенситной точки. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре ниже мартенситной точки МH, то образование мартенсита почти сейчас же прекращается и происходит стабилизация аустенита, т.е. в структуре наблюдается остаточный аустенит. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А1, т.е. оканчивается полным исчезновением аустенита. В закаленных сталях, имеющих точку МК ниже 20 °С присутствует остаточный аустенит, и его количество тем больше, чем выше содержание в стали углерода Мартенситный кристалл (пластина) образуется только в пределах аустенитного зерна и не переходит границу между его зернами. В плоскости шлифа мартенситные пластины, как правило, попадают поперечным сечением и наблюдаются под микроскопом в виде игл. Так как размеры первых пластин мартенсита определяются размерами аустенитного зерна, то все факторы, приводящие к его укрупнению, делают более грубоигольчатым сам мартенсит. Поэтому сильный перегрев стали при закалке дает крупноигольчатый мартенсит.

При закалке на мартенсит углеродистой стали резко возрастает ее твердость и снижается пластичность. Например, твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии равна 180 HB, а в закаленном – 650 НВ, т.е. примерно в 3,5 раза выше. Высокая твердость углеродистых сталей, закаленных на мартенсит, обусловлена, в первую очередь, возникновением сильных искажений решетки пересыщенного раствора за счет внедрения атомов углерода.

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.

Критические точки – это температуры фазовых превращений.

Различают равновесные (теоретические) и фактические критические точки. Равновесные критические точки лежат на линиях диаграмм состояния и показывают температуры фазовых переходов в условиях чрезвычайно медленного изменения температур (нагрева или охлаждения).

Равновесные критические точки углеродистых сталей можно определять по метастабильной диаграмме "железо – цементит". На этой диаграмме равновесные точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1 и показывают температуру превращения перлита в аустенит при нагреве и обратного превращения при охлаждении. Равновесные точки, находящиеся на линии GS, обозначаются А3 и показывают температуры окончания растворения феррита в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении. Равновесные точки линии SE обозначаются Acm и показывают температуры окончания растворения цементита (вторичного) в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении.

Фактические критические точки при нагреве смешаются вверх по температурной шкале и обозначаются аналогично равновесным точкам с добавлением буквы "с", например, АС1, АС3.

При охлаждении происходит смещение фактических критических точек относительно равновесных в сторону уменьшения температуры, это смещение отмечается буквой "r" (Ar1, Ar3).

Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для получения конечной структуры закаленной стали.

Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и для полного установления необходимого фазового состояния.

Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.

Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита, и он весь превращается в мартенсит.

9.1.2. Выбор технологических параметров закалки Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки.

Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо – цементит" (рис. 9.2).

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т. е. нагревают выше критических температур Ас3 или Асcm, при неполной – до межкритических температур – между Ас1 и Ас3 (Асcm).

Рис. 9.2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C c нанесенным оптимальным интервалом температур закалки Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, при этом температура нагрева определяется следующим образом:

Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита, и соответственно после охлаждении – мелкокристаллического мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Неполная закалка доэвтектоидной стали приводит к сохранению в структуре мягкого феррита и снижению твердости и прочности закаленной стали.

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура:

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита вторичного с небольшим количеством остаточного аустенита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной.

Эвтектоидную сталь при закалке нагревают выше температуры Ас1 на 30–50 °С. После охлаждения структура этой стали будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1–1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения детали.

Охлаждение при закалке должно производиться в такой охлаждающей среде, которая обеспечивает скорость охлаждения не менее критической.

Охлаждающая способность наиболее распространенных закалочных сред увеличивается в следующей последовательности: минеральное масло, вода, водные растворы солей и щелочей.

Углеродистые стали обладают большой критической скоростью охлаждения и поэтому для них, как правило, в качестве охлаждающей среды выбирают воду или водные растворы солей и щелочей при нормальной температуре.