Метоллография. Нуртдинов Метолография. Отчет по лабораторной работе 1 Количественная оценка предела текучести по параметрам структуры низколегированной ферритоперлитной стали 20

• Название: Отчет по лабораторной работе 1 Количественная оценка предела текучести по параметрам структуры низколегированной ферритоперлитной стали 20
• Анкор: Метоллография
• Дата: 09.11.2021
• Размер: 414.35 Kb.
• Имя файла: Нуртдинов Метолография.docx
• Тип: Отчет; #267104

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Геология и разведка нефтяных и газовых месторождений»

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1

«Количественная оценка предела текучести по параметрам структуры низколегированной феррито-перлитной стали 20»

по дисциплине «Теоретические и экспериментальные методы научных исследований»

Выполнила: ст. гр. ММП03-21 Нуртдинов И.Ф.

Проверил: профессор, к.ф.-м.н. Ценев Н.К.

Уфа 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1.МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 3

1.1.Подготовка шлифа 3

1.2.Количественное определение параметров структуры 4

1.3.Статистические методы определения параметров структуры 5

2.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 6

ВЫВОДЫ 13

Список литературы 14

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим физическим фактором, определяющим физико-механические свойства металлов и сплавов, является структура. Под этим термином следует понимать кристаллическую структуру, т.е. тип кристаллической решётки, химический состав сплавов, микроструктуру, величину зерна (размер субзёрен, разориентировку между ними), наличие частиц второй фазы, их количество, размеры, форму и их распределение. Целью данной лабораторной работы является расчёт предела текучести по химическому составу и её структуре на примере низколегированной феррито-перлитной стали 20.

1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

   1. Подготовка шлифа

В качестве материала для исследования были выбраны образцы из штампованной низкоуглеродистой стали. Химический состав стали Ст20 представлен в таблице № 1.

Таблица 1- Химический состав стали Ст20.

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0,17-0.24	0.17-0.37	0.35-0.65	До 0,3	До 0,04	До 0,035	До 0,25	До 0,3	До 0,08

Вырезанные образцы стали Ст20 подвергали механической шлифовке, последующей полировке пастой ГОИ и химическому травлению составом: 5 мл азотной кислоты (плотностью 1,4), 100 мл амилового спирта. Металлографический анализ образцов стали Ст20 выполняли на инвертированном оптическом микроскопе Zeiss Observer с программным обеспечением Thixomet Pro. Проведённые металлографические исследования показали, что структура стали состоит из зёрен феррита и колоний перлита (Рисунок 1).



Рисунок 1 – Микроструктура стали Ст20.

2. Количественное определение параметров структуры

При оценке вклада различных структурных составляющих в упрочнение сталей и сплавов необходимо определить объёмные доли фазовых составляющих, размер зерна, плотность дислокаций, количество и размер дисперсных частиц.

Для выполнения расчётов необходимы следующие данные:

1. Марку стали, её химический состав, фотографию микроструктуры и её увеличение.

2. Справочные данные.

К ним относятся: коэффициенты упрочнения феррита растворёнными в нём легирующими элементами -k_i; модуль упругости железа – G=84 ГПа; ориентационный множитель - М=2,75; коэффициент зернограничного упрочнения, определяемый как тангенс угла наклона в координатах σ_т - d^-1/2 находится в пределах 0,2-0,73 МПа√м. Для нашей стали примем k_y=0,2 МПа√м.

Скалярная плотность дислокаций ρ=10⁹см^-2. Вектор Бюргерса – b=0,25нм;

3. Экспериментальные данные определяются по параметрам структуры с полученного фото микроструктуры:

• 
  Гистограмма распределения колоний перлита по размерам – П;
  
• 
  Гистограмма распределения зёрен феррита по размерам;
  
• 
  Средний размер зерна феррита – d;
  
• 
  Межперлитное расстояние - λ;
  
• 
  Соотношение объёмной доли зёрен феррита и колоний перлита;
  

Расчёту подлежат следующие компоненты упрочнения, входящие в уравнение Холла-Петча: напряжение Пайрлса-Набарро (трение решётки)- σ₀; твёрдорастворное упрочнение феррита - ∆𝜎_т.р.; дислокационное (деформационное) упрочнение - ∆𝜎_д; дисперсионное упрочнение, вносимое перлитом - ∆𝜎_д.у.; зернограничное упрочнение – k_yd ^-1/2.

3. Статистические методы определения параметров структуры

Измерение размера зёрен феррита и колоний перлита проводили методом линейного анализа, в основе которого лежит положение о том, что относительная длина линий (отрезков), пересекающих исследуемую область микроструктуры и попадающих на участки данной фазы, равна объёмной доле этой фазы:

ƒ_= _i/L₀, (1)

где _i - суммарная длина отрезков случайной секущей линии, проходящей через n участков данной фазы (феррита - или колоний перлита - П), L₀ – полная длина секущей линии, проходящей через исследуемое поле.

Необходимо, чтобы длина L₀ была большой по сравнению с размерами областей исследуемых структурных составляющих, так как выражение 1 справедливо только тогда, когда имеется гарантия, что секущая линия пересекает структуру, типичную для всего образца.

Если считать распределение перлита однородным, то можно найти погрешность линейного метода. Ожидаемое среднеквадратичное отклонение измеряемой величины ƒ_ определяется выражением:

S _i= ƒ_ / (2)

где - число участков фазы  на длине секущей L₀.

Таким образом, относительная погрешность линейного метода обратно пропорциональна числу участков фазы , пересекаемых секущей, и увеличивается с уменьшением объёмной доли фазы.

При исследовании сталей с феррито-перлитной структурой часто необходимо знать размер ферритного зерна и объёмную долю перлита.

, (3)

где n_α – число зерен феррита на длине секущей L.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Металлографический анализ показал, что размер перлита стали колеблется от 1 мкм до 17 мкм. Размер зерен феррита колеблется от 2 мкм до 38 мкм. В результате 11 замеров количество зерен феррита составило 95 шт., а колоний перлита – 62 шт. По результатам произведённых замеров методом линейного анализа были построены гистограммы распределения по размерам зёрен феррита и колоний перлита в продольном и поперечном направлениях. Результаты представлены на рисунках 2-5.



Рисунок 2 – Гистограммы распределения размеров колоний перлита в горизонтальном направлении



Рисунок 3 – Гистограммы распределения размеров зёрен феррита в горизонтальном направлении



Рисунок 4 –Гистограммы распределения размеров колоний перлита в вертикальном направлении



Рисунок 5 – Гистограммы распределения размеров зёрен феррита в вертикальном направлении

Длина горизонтальной секущей равна 260 мкм, а вертикальной 195 мкм. Следовательно, площадь рисунка равна:

.

Объемная доля феррита, согласно формуле 1, равна:



Объемная доля перлита:



Площадь, занимаемая ферритом и перлитом соответственно, равна:

,

.

Среднеквадратичное отклонение для феррита и перлита, согласно формуле 2, равно:

_.

.

Средний размер зерен феррита и перлита по горизонтали, согласно формуле 3, равны соответственно:

,

.

Средний размер зерен феррита и колоний перлита по вертикали согласно формуле 3 составляет

.

.

Средний размер зерен феррита и колоний перлита в горизонтальном направлении (как среднее арифметическое):

. (4)

где – размер каждого зерна, мкм;

= 1…k – общее число зерен феррита;

– количество замеров.

.

Средний размер зерен феррита и колоний перлита в вертикальном направлении (как среднее арифметическое):





Ошибка измерения среднего размера зерна феррита по горизонтали и по вертикали:

(5)



где – размер каждого зерна, мкм;

= 1…k – общее число зерен феррита;

– количество замеров.

Ошибка измерения среднего размера колоний перлита по горизонтали и по вертикали:





Средний размер зерна феррита по горизонтали:

Средний размер зерна феррита по вертикали:

Средний размер колоний перлита по горизонтали:

Средний размер колоний перлита по вертикали:

Коэффициент анизотропии зерен согласно формуле 9 равен:

. (6)

Зёрна феррита не равноосны.

Минимальное межперлитное расстояние, определённое как среднее расстояние между центрами ближайших колоний составило λ=25 мкм.

Ошибка измерении минимального межперлитного расстояния, определенная по формуле 5, составляет ∆𝜆≈5 мкм, значит λ=25 ±5 мкм.

Для количественной описания роста предела текучести стали 20 используем уравнение Холла-Петча.

, (7)

где, d – средний размер зерна феррита.

где, _i= ₀+ _т.р+ _Д+_Д.У.

Вычислим параметры структуры, оказывающих влияние на значение предела текучести.

Трение решётки определяется по формуле:

= = 8400017 МПа

Твердорастворное упрочнение найдем по формуле:

, (8)

где k_i - коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нём 1% (по массе) i-того легирующего элемента, определяем из таблицы 2;

c_i – концентрация, % по (массе), i-того легирующего элемента, растворённого в феррите.

Таблица 2. Коэффициенты упрочнения феррита различными элементами

Элемент	С	N	P	Si	Ti	Al	Cu	Mn	Cr	Ni	Mo	V
, МПа	4670	4670	690	86	82	60	39	33	31	30	11	3

МПа

Дислокационное упрочнение определяем следующим образом:

_ДMGb^1/2, (9)

где  = 0,3 – коэффициент, зависящий от характера распределения и взаимодействия дислокаций.

Подставим известные значения в формулу 9.

_Д0,32,75840000,2510^-910⁶10^1/254 МПа

Дисперсионное упрочнение находим по формуле Орована:

. (10)

Учитывая ошибку измерения минимального межперлитного расстояния 𝜆, вычисленную ранее, дисперсионное упрочнение составляет: ∆𝜎д.у.=15±2 МПа.

Согласно уравнению Холла-Петча проведём оценку вклада зернограничного упрочнения:



Рассчитаем предел текучести по формуле 4:

.

Предел текучести по своим значениям близок к значениям по ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали.

ВЫВОДЫ

1. 
   В результате металлографического анализа установлено, что структура стали 20 состоит зёрен феррита и колоний перлита; средний размер зёрен феррита составил 23 мкм, а средний размер колоний перлита – 11 мкм.
   
2. 
   Показано, что значение предела текучести, рассчитанное по параметрам структуры низколегированной феррито-перлитной стали 20, близко к значениям по ГОСТ 1050-88.
   

3) Установлено, что наибольший вклад в параметр предела текучести осуществляется за счёт твёрдорастворного, дислокационного и зернограничного упрочнения.

Список литературы

1. 
   Картонова, Л.В. Основы металлографии: учеб. пособие 2017.-96
   
2. 
   Косевич, А.М. Дислокации в теории упругости. Киев: Наук. Думка-1978-219 с.
   
3. 
   Сквайрс Дж. Практическая физика. Изд-во «Мир»/Москва – 1997. – 241с.