Лабораторная работа 2 Ознакомление со структурой и свойствами сталей и чугунов
 Скачать 214.79 Kb.
|
|
Лабораторная работа № 2 «Ознакомление со структурой и свойствами сталей и чугунов» Цель работы: Изучить классификацию, микро-структуру, свойства и назначение сталей и чугунов. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ машиностроении используются детали из заго-товок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют со-бой, как правило, литейные материалы. Примеры ис-пользования этих материалов даны ниже. Легковой ав-томобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении об-щая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80 % от массы металлорежущего станка. Основу химического состава сталей и чугунов со-ставляет железо с добавками углерода менее 2,14 % (ста-ли) или более 2,14 % (чугуны). У многих марок этих ма-териалов дополнительно содержатся легирующие хими-ческие элементы (хром, кремний, марганец, никель, мо-либден и др.). Перечень основных видов сталей и чугу-нов по государственным стандартам приведен в табл. 3 и конструкционные стали и отливки из чугунов, ис- пользуемые для изготовления деталей машин и различ-ных сооружений, и инструментальные стали для металл-орежущих, штамповых, измерительных и других ин-струментов. При изучении строения и определении качества металлических материалов в материаловедении широко используется микроструктурный анализ. Микроанализ - изучение строения поверхностей шлифованных, полированных и протравленных образцов - микрошлифов с помощью металлографических оптиче-ских микроскопов при увеличениях обычно от 100 до 1000. Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется микроструктурой. Микроструктура разных по химическому составу мате-риалов и после их различной обработки отличается по размеру, геометрической форме, цвету, взаимному рас-положению отдельных структурных составляющих Микроанализ основан на использовании законов отражения и поглощения световых лучей от поверхности непрозрачных металлических материалов (рис. 3). Поли-рованная металлическая поверхность отражает направ-ленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая. При наличии в материа-ле неметаллических составляющих структуры они видны как темные, так как поглощают световые лучи. Стали, получаемые кислородно - конверторным, электросталеплавиль-ным и другими способами, содер-жат неметаллические включения. Это химические со- единения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметал-лами (серой, кислородом, азотом и др.). Таблица 3. Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам
стой и легированной стали. Технические условия. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия. Таблица 4. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам
 Рис. 3. Схема отражения световых лучей от по-верхности полированного (а) и подвергнутого травле- нию (б) микрошлифа. Основными видами неметаллических включений в стали по ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды и карбонитриды (MnS, SiO2, TiN, nFeO mMnO pSiO2 и др.). Оксиды и нитри-ды являются хрупкими и при прокатке стали располага-ются в виде строчек или рассредоточенных точечных ча-стиц. Пластичные сульфиды получают форму продолго-ватых линз. Силикаты имеют сложный химический со-став и могут быть пластичными или хрупкими. После травления шлифа химическим реактивом различные структурные составляющие материала рас-творяются в разной степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие выступающих и углуб-ленных участков). На отдельных участках этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и тем-ные различных оттенков. Данные о фазовом строении и структуре матери-алов в равновесном состоянии получают из приведенных учебниках и справочниках диаграмм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «температура - хи-мический состав» содержат информацию о фазах (пер-вичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диаграмм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к равновесному состоя- нию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диа- грамма состояния железо – углерод дана на рис. 4.  Рис. 4. Диаграмма состояния железо – углерод Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости ком-понентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе твердом состоянии. У железа наблюдаются два поли-морфных превращения: tG tN Fe Fe ; Fe Fe Железо модификаций и имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диа-грамме состояния железо-углерод образуются три обла-сти твердых растворов углерода в железе: область NJESGN твердого раствора (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe (ГЦК); две области QPGQ и AHNA твердого раствора (феррита Ф), т.е. раствора углерода в Fe (ОЦК). В правой части метастабильной диаграммы состоя-ния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твер-дого раствора небольшого количества железа в химиче-ском соединении Fe3C, т.е. цементита Ц. Следовательно, в сплавах метастабильной диаграм-мы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аусте-нит, цементит. Остальные области диаграммы состоя-ния, ограниченные сплошными линиями, являются двухфазными, т.е. состоят из тех или иных двух фаз. На диаграмме состояния имеются также горизон-тальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где в равновесном состоянии существуют по три фазы: линия HJB перитектического превращения: t HJB Жв + Фн  АJлиния ECF эвтектического превращения: t ECF Жc е (Ае + ЦF) (эвтекти-ка-ледебурит Л) линия PSK эвтектоидного превращения: t PSК АS е (Фр + ЦК) (эвтекто-ид - перлит П) сплавах железо – углерод - кремний в зависимо-сти от количества углерода и кремния, численной вели-чины скорости охлаждения существовуют две разновид-ности диаграммы состояния железо-углерод: метаста-бильная (железо-цементит) и стабильная (железо - гра-фит). У сталей и чугунов в равновесном состоянии име-ются следующие фазы: Жидкий раствор (Ж) на основе железа. Феррит (Ф)- твердый раствор углерода и легирую-щих элементов в железе Fе с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относительное удлине- ние 50 %). Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легиру-ющих элементов в железе Fe с кристаллической решет-кой гранецентрированного куба (ГЦК). Цементит (Ц) - раствор небольшого количества же-леза в карбиде железа Fe3C. Образуются также и более сложные струк-турные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре: Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образу-ется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в ре-зультате следующего фазового превращения аустенита: t psk А Ф+Ц(П)Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и ча-стиц цементита в форме мелких зерен. Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участ-ков, состоящий из белого цементита -основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот ледебурит состо-ит из цементита и аустенита : t ecf Ж А+Ц(Л)Многочисленные стали разных марок, отличаю-щиеся химическим составом, по микроструктуре в рав-новесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (табл. 5). Представление о струк- турных классах чугунов дает табл. 6 и структурная диа-грамма на рис. 5. Формы включений графита показаны на рис. 6.  Рис. 5. Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная) 
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||