Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
5. Использование диаграммы Fе–Fе 3 С для оценки превращений в железоуглеродистых сплавах В процессе превращений в системе изменяются состав и количе- ство каждой фазы. В любой области диаграммы, когда в сплаве при- сутствуют две фазы, можно определить количество фаз и их состав по правилу рычага или правилу отрезков. Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, че- рез данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят го- ризонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими 14 15 данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Второе положение правила отрезков: чтобы определить количе- ственное соотношение фаз, через данную точку проводят горизон- тальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими дан- ную область; отрезки этой линии между заданной точкой и точками пересечения пропорциональны количествам фаз. Рассмотрим на конкретных примерах превращения, которые бу- дут происходить в жидких сплавах при их охлаждении до конкрет- ной температуры. Сплав I(см. рис. 1.2) содержит 3 % С. В точке 1 этот сплав на- ходится в жидком состоянии, а при температуре, соответствующей точке пересечения с линией АС (линией ликвидуса), из жидкого сплава начинается выделение первых твердых кристаллов аустени- та, состав которых согласно правилу отрезков будет соответствовать точке 2 I . По мере понижения температуры начавшийся процесс кри- сталлизации будет продолжаться. Все большее количество новых кристаллов аустенита будет выделяться из жидкости. При этом со- став выделяющихся твердых кристаллов будет непрерывно менять- ся по линии АЕ (линии солидуса), а состав жидкой фазы – по ли- нии АС (линии ликвидуса). Определим, например, в точке 3 состав и количественное соотношение жидкой и твердой фаз (кристаллы аустенита). В соответствии с правилом отрезков через заданную точ- ку проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями АЕ и АС. Точки пересечения 3 I и 3 II , спроектированные на ось абсцисс диаграммы (ось концентрации), укажут состав кристаллов аустени- та (3 I ) и жидкойфазы (3 II ) при заданной температуре. Отрезок 3 – 3 II (обозначим его Q тв ) соответствует количеству твердой фазы (отрезок увеличивается по мере снижения температуры), а отрезок 3 – 3 I (Q ж ) соответствует количеству жидкой фазы (этот отрезок сокращается по мере снижения температуры). Отношение этих отрезков опреде- ляет количественное соотношение твердой и жидкой фаз при указан- ной температуре: I II ж тв 3 3 3 3 Q Q (6) При температуре 1147 °С (точка 4) состав жидкой фазы будет со- ответствовать точке С, т. е. 4,3 % С, а ее количество определится отрезком 4 – Е. Эта жидкость будет кристаллизоваться с одновре- менным выделением из нее двух фаз – аустенита и цементита, обра- зующих механическую смесь, которая называется эвтектикой, или ледебуритом: Ж 4,3 % С А 2,14 % С + Ц 6,67 % С ледебурит 1147 о С (1.7) Таким образом, ниже линии ЕСF сплав будет состоять из эвтек- тики (ледебурита), количество которой определится отрезком 4 – E. Количество же избыточных кристаллов аустенита, уже выделивших- ся из жидкости в интервале температур от точки 2 до точки 4, будет определяться отрезком 4 – С. Нетрудно заметить, что аналогичные изменения будут наблюдаться во всех сплавах, содержащих углерод от 2,14 (точка Е) до 4,3 % (точка С),с той лишь разницей, что коли- чественное соотношение ледебурита и аустенита в каждом сплаве будет различным. Во всех этих сплавах при температуре 1147 °С жидкость всегда будет иметь постоянный состав (4,3 % С) и кри- сталлизоваться с образованием ледебурита. Дальнейшие изменения в сплаве по мере понижения темпера- туры от точки 4 до точки 5 будут связаны с аустенитом, содержа- ние углерода в котором непрерывно меняется вследствие уменьше- ния предельной растворимости углерода в γ-железе (см. линию ЕS). Появляющийся избыточный углерод выделяется из аустенита в виде цементита (Fe 3 С), который называют вторичным. В результате об- щее количество цементита, входящегов состав ледебурита и вторич- ного цементита, увеличивается. Количество углерода в аустените (например, в точке X) определяется точкой пересечения горизон- тальной линии, проведенной через заданную точку, с линией пре- дельной растворимости (точка X I ). При температуре 727 °С (точка 5) в аустените останется 0,8 % С. Этот аустенит будет испытывать эв- тектоидное превращение, при котором из него одновременно выде- ляются феррит и цементит, образующие механическую смесь, назы- ваемую эвтектоидомили перлитом: 16 17 А 0,8 % С Ф 0,025 % С + Ц 6,67 % С перлит 727 о С (1.8) Следует отметить, что рассматриваемые превращения аустенита, связанные с изменением растворимости углерода в γ-железе и эвтек- тоидным превращением, происходят не только в избыточных кри- сталлах аустенита, но и в аустените, входящем в состав ледебурита (реакция (1.5)). Вследствие этого ледебурит при температуре ниже 727 °С будет состоять уже из перлита и цементита: Ц). (П Ледебурит Ц) (А Ледебурит С 727 (1.9) При дальнейшем охлаждении сплава ниже точки 5 никаких пре- вращений в нем не произойдет. Следовательно, при комнатной тем- пературе рассмотренный сплав будет иметь структуру, состоящую из ледебурита, перлита и цементита вторичного. Сплав II содержит 5 % С. Превращения, протекающие в этом сплаве, будут отличаться от превращений в сплаве I только в ин- тервале температур Т 2 …Т 4 , когда из жидкости вместо аустенита бу- дет выделяться цементит Fe 3 С, который называется первичным. Цементит содержит 6,67 % С, т. е. больше, чем сам сплав. Поэтому по мере выделения кристаллов цементита с понижением температу- ры от точки 2 до точки 4 состав жидкой фазы будет непрерывно обе- дняться углеродом в соответствии с линией СD (от точки 2 до точ- ки С). Вследствие этого и в данном сплаве при температуре 1147 °С жидкая фаза будет содержать 4,3 % С, а ее количество – определять- ся отрезком 4 – F. Эта жидкость так же, как и в сплаве I, кристалли- зуется с образованием эвтектики (ледебурита) в соответствии с ре- акцией (1.1). Таким образом, ниже линии ЕСF сплав будет состоять из эвтектики (ледебурита) и избыточных кристаллов цементита пер- вичного, уже выделившегося из жидкости в интервале температур от точки 2 до точки 4. Дальнейшие превращения в сплаве, протекающие в интервале температур от точки 4 до точки 3, будут аналогичны превращениям в сплаве I, с той разницей, что эти превращения будут происходить в кристаллах аустенита, входящих в состав ледебурита. Количество вторичного цементита, выделившегося из аустенита в интервале температур от точки 4 до точки 5, достаточно мало по сравнению с общим количеством цементита первичного, входящего в состав ледебурита. Поэтому в сплавах, содержащих углерода более 4,3 % (заэвтектических), вторичный цементит не обозначают. В точке 5 ау- стенит, входящий в состав ледебурита и содержащий 0,8 %С, будет распадаться с образованием перлита по реакции (2). Таким образом, после охлаждения до комнатной температуры сплав II будет состо- ять из цементита первичного и ледебурита (П + Ц). Сплав III, содержащий 0,5 % С, выше точки 2 находится в жид- ком состоянии. В интервале температур Т 2 …Т 3 при охлаждении из жидкости непрерывно выделяются кристаллы аустенита. При этом состав кристаллов аустенита, жидкой фазы и их количествен- ные соотношения могут быть определены в любой точке по прави- лу отрезков. В точке 3 процесс кристаллизации сплава заканчивается, и при дальнейшем его охлаждении в интервале температур от точки 3 до точ- ки 4 никаких изменений в кристаллах аустенита не наблюдается. В точке 4 начинается аллотропическое превращение железа, свя- занное с изменением типа кристаллической решетки Fe γ (ГЦК) => Fe α (ОЦК). Так как это превращение протекает в сплаве, то будет изме- няться и сам твердыйраствор. Вместо твердого раствора углерода в γ-железе (аустенит) появляется твердый раствор углерода в α-железе (феррит). В интервале температур от точки 4 до точки 5 количество аустенита уменьшается (отрезок Х – Х I ), а количество феррита увеличивается (отрезок Х – X II ). При этом содержание угле- рода в аустените и феррите увеличивается (состав аустенита меняет- ся по линии GS, а феррита – по линии GР). По достижении температуры 727 °С содержание углерода в ау- стените достигает 0,8 % (точка S). Этот аустенит, количество кото- рого определяется отрезком 5 – Р, будет подвергаться эвтектоидному (перлитному) превращению согласно реакции (1.2). После оконча- тельного охлаждения сплав III будет иметь структуру феррит + пер- лит. Следует отметить, что, несмотря на большое различие в струк- 18 19 туре рассматриваемых сплавов, фазовый состав всех сплавов при температуре 727 °С будет одинаков. Они состоят из феррита и це- ментита. Меняется лишь их количественное соотношение. Отметим, что вследствие уменьшения растворимости углерода в α-железе ко- личество углерода в феррите во всех сплавах при температуре ниже 727 °С непрерывно снижается (в соответствии с линией РQ), а по- являющийся при этом избыточный углерод выделяется в виде це- ментита Fe 3 С, называемого третичным. Однако количество этого цементита (в сравнении с количеством цементита первичного и вто- ричного) крайне мало, и им можно пренебречь, за исключением ма- лоуглеродистых сталей, содержащих большое количество феррита. Выделяясь по границам зерен, третичный цементит резко снижает пластичность таких сталей. Практическую часть работы рекомендуется выполнять в сле- дующем порядке: 1) построить и изучить диаграмму железо – цементит; 2) получить у преподавателя сплавы с заданным содержанием углерода; 3) описать все превращения, протекающие в них при охлажде- нии, начиная с жидкого состояния; 4) определить составы фаз и их количественное соотношение в заданной точке и указать структуру сплава после полного охлаж- дения. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Диаграмма состояния (конспективно). 3. Определение основных линий для диаграммы, а также фаз (ау- стенит, феррит, цементит) и структурных составляющих (перлит, ле- дебурит). 4. Классификация железоуглеродистых сплавов. 5. Кривые охлаждения с описанием и схематической зарисовкой необходимых превращений для указанных преподавателем сплавов. 6. Количественные соотношения и составы фаз в точках системы, указанных преподавателем. Лабораторная работа № 2 МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ Цель лабораторной работы – ознакомиться с микроструктурой и свойствами углеродистых сталей в равновесном состоянии. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить теоретические вопросы строения углеродистых сталей; 2) исследовать микроструктуру указанных сталей с помощью оптического металлографического микроскопа; 3) приобрести навыки в определении углерода в сталях по микро- структуре. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ММУ-3, МЕТАМ РВ-22; • материалы – коллекция микрошлифов углеродистых сталей (доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных); • плакаты – диаграмма состояния железо – цементит и железо – графит; • фотоальбом – микроструктура углеродистых сталей (доэвтек- тоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных). Структура и свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии Сталями называются сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится менее 2,14 %. Как видно из диаграммы желе- зо – цементит, структура стали в равновесном состоянии (после мед- ленного охлаждения) определяется содержанием углерода. Если содержание углерода в сплаве не превышает 0,006 %, то он имеет ферритную структуру, характерную для чистого железа. С увеличе- нием содержания углерода более 0,006 % в структуре стали появля- ется перлит. Чем ближе концентрация углерода в стали к точке S, тем больше в ее структуре перлита и меньше феррита: феррит – светлые зерна, перлит – темные зерна (рис. 1.2). 20 21 Рис. 1.2. Микроструктура доэвтектоидной стали В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение. При содержании углерода 0,8 % структура стали состоит только из зерен перлита. Таким образом, уменьшение количества феррита и увеличение количества перлита пропорцио- нально увеличению содержания углерода (цементита). Структура стали характеризует ее свойства, а следовательно, и область применения. Доэвтектоидные стали являются конструк- ционными сталями, применяемыми для изготовления большой но- менклатуры деталей машиностроения. Увеличение содержания углерода в них сопровождается повышением твердости и прочно- сти и уменьшением пластичности. Стали, содержащие более 0,7 % углерода, используются в основном как инструментальные ста- ли. Высокоуглеродистые (С > 1 %) стали, характеризующиеся по- вышенной твердостью и износостойкостью, применяются для изго- товления режущего инструмента. Стали же с меньшим содержанием углерода, обладающие наряду с высокой твердостью и прочностью достаточной вязкостью, используются для инструмента, испытыва- ющего ударные нагрузки. Структура сталей изучается с помощью оптических металлографических микроскопов МИМ-7, ММУ-3. Образец металла, подготовленный для микроанализа, называют микрошлифом. Приготовление микрошлифа состоит в вырезании об- разца, шлифовке и полировке до зеркального блеска его поверхности, выбранной для исследования. Наиболее удобной формой шлифа явля- ется цилиндрическая (d = 10…12 мм) или прямоугольная (12×12 мм). Высота образцов составляет 10…15 мм. Образцы небольшого се- чения (проволока, тонкие листы) монтируются заливкой в легко- плавкие материалы (сплав Вуда, сера, бакелит и т. д.) в специаль- ную оправку или зажимаются в струбцины. Вырезанный образец затачивается на абразивном круге с периодическим охлаждением, не допускающим перегрева образца. Заточенный образец шлифуют на шлифовальной бумаге с зернами различной крупности, постепенно переходя от шлифовальной бумаги с крупным зерном к шлифо- вальной бумаге с более мелким зерном до полного удаления рисок. При переходе от одного номера зернистости к другому следует очи- щать образец от абразива и менять направление шлифовки на 90°. Для шлифовки образцов, кроме шлифовальной бумаги, можно при- менять специальные пасты: пасту ГОИ, хромоалюминиевые пасты. Пасты наносятся на бумагу или сукно. Шлифовка на пастах ведет- ся после обработки образца на грубой и средней шлифовальной бу- маге и производится либо вручную, либо на специальных станках с закреплением шлифовальной бумаги на вращающихся дисках. Для окончательной доводки образца его полируют до полного удаления рисок и получения зеркальной поверхности. Механическая предва- рительная полировка ведется на вращающихся кругах, обтянутых грубым сукном, на которые периодически наносится водная взвесь окиси хрома, алюминия или других окислов в виде мелкодисперс- ных порошков. Окончательная полировка ведется на тонком мягком сукне (фетре), смачиваемом тонкой взвесью тех же окислов. Помимо механической полировки применяется химико-механическое поли- рование, при котором в состав полирующей смеси вводится хими- чески активное вещество, воздействующее на поверхность образца и ускоряющее процесс полирования. Широко используют электролитическое полирование, при кото- ром образец в качестве анода помещают в электролитическую ванну, после полирования промывают водой; полированную поверхность протирают спиртом и сушат фильтровальной бумагой. По зеркаль- ной поверхности микрошлифа еще нельзя судить о строении спла- ва. Под микроскопом после полировки можно обнаружить на общем светлом поле отдельные темные или серые точки, линии, которые могут представлять собой как неметаллические включения (окси- ды, сульфиды, шлаки, графит и т. п.), так и не устраненные поли- 22 23 ровкой дефекты поверхности образца (раковины, микротрещины и т. п.). Для выявления полной картины микроструктуры металла об- разец подвергают травлению, которое позволяет определить число, размеры, форму, взаимное расположение и количественное соотно- шение фаз и структурных составляющих. Перед травлением поверх- ность микрошлифа обезжиривается спиртом, а затем погружается в реактив на необходимое для выявления микроструктуры время. Травление заключается во взаимодействии металла поверхности микрошлифа с химически активными растворами щелочей, солей, кислот в спирте или воде в зависимости от свойств и строения ис- следуемого металла. При травлении реактив взаимодействует с раз- личными участками поверхности микрошлифа неодинаково, так как структура поверхности микрошлифа неоднородна. Это приводит к разной степени их травления. В процессе травления образуются микрогальванические пары, и структуры с более электроотрицатель- ным электродным потенциалом будут играть роль анода и раство- ряться. На поверхности микрошлифа образуются впадины и выступы с различной отражающей способностью. Более интенсивно про- травливаются границы зерен металла, которые больше обогащены различными примесями, чем само зерно, что способствует образо- ванию микрогальванических элементов. В результате на границах зерен после травления образуются углубления. Так, зерна феррита при исследовании под микроскопом будут иметь различные оттен- ки с четко очерченными границами зерен, так как поток света, по- падающий через объектив на поверхность микрошлифа, отражается от поверхности каждого зерна и границ зерен по-разному (рис. 2.2). В результате более глубоко протравленные участки дают больше рассеянных лучей и выглядят более темными. Структура перлита под микроскопом имеет вид темных и светлых полос, так как феррит растворяется быстрее, чем цементит. В структу- ре, состоящей из перлита и вторичного цементита, под микроскопом вторичный цементит обнаруживается в виде мелких светлых зерен или в виде светлой сетки, расположенной по границам зерен перлита. Железоуглеродистые сплавы травят в 4…5 %-ном растворе азот- ной кислоты в этиловом спирте. Механические свойства стали с уве- личением содержания углерода изменяются в сторону повышения прочности и снижения пластичности (рис. 2.3). Рис. 2.2. Границы зерен после травления: а – схема, поясняющая видимость границ зерен под микроскопом; б – микроструктура металла с ясным очертанием границ Рис. 2.3. Механические свойства углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода |