Программа для чтения pdfфайлов. Загл с этикетки диска
 Скачать 5.98 Mb.
|
|
50 Рисунок 3.1 - Схема отражения световых лучей от поверхности шлифа и характерный вид микроструктуры Применяемое лабораторное оборудование Изучение микроструктуры металлов и сплавов проводится с помощью микроскопа МИМ-7. Общая вид и общая схема приведены на рисунках 3.2 и 3.3, соответственно. 51 Рисунок 3.2 – Общий вид микроскопа МИМ-7 Рисунок 3.3 – Общая схема микроскопа МИМ-7 [7]: 1 – основание микроскопа; 2 – корпус; 3 – фотокамера; 4 – винт микрометрической (точной) подачи объектива; 5 – визуальный тубус; 6 – рукоятка диафрагмы; 7 – иллюминатор; 8 – предметный столик; 9 – клеммы; 10 – рукоятка перемещения столика; 11 - винт грубой подачи столика; 12 – 52 осветитель; 13 - рукоятка смены светофильтров; 14 - стопорное устройство осветителя; 15 - рамка с матовым стеклом Схема оптической системы микроскопа МИМ-7 приведена на рисунке 3.4. Световые лучи от источника света, в виде лампы 1, проходят через коллектор 2, отражаются от зеркала 3, проходят через светофильтр 4 и апертурную диафрагму 5 (ограничивающую световой пучок для получения более четкого изображения), линзу 6, фотозатвор 19, полевую диафрагму 18 (ограничивающую размер освещенного поля на микрошлифе), пентапризму 7, линзу 8 и попадают на полупрозрачную отражательную пластину 9. От этой пластины световые лучи направляются в объектив 10 и на объект (микрошлиф) 11. Отражаясь от микрошлифа, световые лучи попадают опять в объектив 10, проходят через отражательную пластину 9 и ахроматическую линзу 12 и зеркалом 14 направляются в окуляр 13 для визального наблюдения. Для фотографирования объекта зеркало 14 выключается, световые лучи проходят через фотоокуляр 15, отражаются зеркалом 16 и попадают на фотопластину 17 [7]. Объектив 10 увеличивает рассматриваемую плоскость шлифа, а окуляр 13, в свою очередь, увеличивает изображение, полученное от объектива. После изучения структуры шлифа в светлом поле, в некоторых случаях проводят дополнительное исследование в темном и поляризованном свете, что дает возможность более четко выявить отдельные структурные составляющие и неметаллические включения [7]. Для того чтобы исследовать структуру шлифа в поляризованном свете в оптическую систему микроскопа включают поляризатор 24 и анализатор 25. Для исследования в темном поле – вместо линзы 8 устанавливается линза 20. 53 Рисунок 3.4 – Схема оптической системы металлографического микроскопа МИМ-7 [7]: 1 – лампа; 2 – коллектор; 3, 14, 16 – зеркала; 4 – светофильтр; 5 – апертурная диафрагма; 6, 8 – линзы; 7 – пентапризма; 9 – отражательная пластинка; 10 – объектив; 11 – плоскость предмета; 12 – ахроматическая линза; 13 – окуляр; 15 – фотоокуляр; 17 – матовая пластинка; 18 – полевая диафрагма; 19 – фотозатвор; 20 – линза для работы в темном поле; 21 – кольцевое зеркало; 22 – параболическое зеркало; 23 – заслонка (включается при работе в темном поле); 24 – поляризатор; 25 – анализатор 54 Микроструктура свинцово-сурьмянистых сплавов В зависимости от концентрации компонентов сплавы системы Pb-Sb (свинец-сурьма) подразделяются на три группы: доэвтектический, эвтектический и заэвтектический сплавы, микроструктуры которых приведены на рисунках 3.5, 3.6, 3.7, соответственно. Рисунок 3.5 – Микроструктура доэвтектического свинцово-сурьмянистого сплава (х250) Рисунок 3.6 – Микроструктура эвтектического свинцово-сурьмянистого сплава (х250) Рисунок 3.7 – Микроструктура заэвтектического свинцово-сурьмянистого сплава (х250) Структура, свойственная для каждой из перечисленных групп сплавов, имеет свои особенности. Доэвтектические сплавы (рисунок 3.5), в состав которых входит менее 13% Sb, в своей структуре имеют кристаллы избыточного компонента – свинца (Pb) в виде дендритных образований и эвтектику. Таким образом, в структуре таких сплавов свинец присутствует в двух разновидностях: крупные кристаллические образования, имеющие вид дендритов; 55 мелкие кристаллики, входящие в состав эвтектики и имеющие форму пластин. Структура эвтектического сплава, содержащего 13% Sb и 87% Рb (рисунок 3.6), состоит из равномерно перемешанных кристалликов сурьмы и свинца. Под микроскопом кристаллы сурьмы отображаются белым цветом, а кристаллы свинца - черным. Микроструктурный анализ эвтектического сплава показывает, что основным компонентом этого сплава является свинец (Рb), а кристаллики сурьмы (Sb) в нем равномерно рассеяны. Образование такой структуры объясняется тем, что свинец (Рb), преобладающий по количеству в этом сплаве, в процессе кристаллизации успевает вырасти до полных взаимно соприкасающихся зерен. А сурьма (Sb), при этом, не успевает развиться до размеров полноценного зерна и поэтому остается в структуре эвтектического сплава в форме мелких пластинок, имеющих вид недоразвившихся осей дендритов. Такая форма сурьмы (Sb), образующаяся при кристаллизации, и отсутствие возможности для развития ее крупных зерен, обуславливается тем, что происходит одновременное затвердевание обоих компонентов сплава при одной температуре и в этом случае больший объем занимают кристаллы свинца (Рb), которые и препятствуют дальнейшему росту и развитию кристаллов сурьмы (Sb). В структуре эвтектического сплава находится 100 % эвтектики. Структура эаэвтектических сплавов (рисунок 3.7) характеризуется тем, что в ней в качестве избыточного компонента, кристаллизующегося в первую очередь, выступает сурьма (Sb). В структуре таких сплавов избыточная сурьма (Sb) имеет вид светлых и крупных кристаллических образований, а между ними располагается эвтектика. Следовательно, все свинцово-сурьмянистые сплавы, имеют в своей структуре эвтектику, но количество ее неодинаково и зависит от концентрации компонентов, входящих в состав данных сплавов. 56 Цель работы Микроструктурный анализ шлифов свинцово-сурьмянистых сплавов различного химического состава с использованием металлографического исследовательского микроскопа МИМ-7. Задание 1. Изучить и зарисовать оптическую схему металлографического исследовательского микроскопа МИМ-7. 2. Описать методику подготовки шлифов для проведения металлографического анализа. 3. Изучить шлифы свинцово-сурьмянистых сплавов различного химического состава с помощью металлографического исследовательского микроскопа МИМ-7 и схематически зарисовать полученные микроструктуры сплавов. 4. Охарактеризовать микроструктуру и описать их отличительные особенности. Методика проведения работы 1. Металлографический исследовательский микроскоп МИМ-7 настраивается на требуемое увеличение; 2. На предметный столик металлографического исследовательского микроскопа МИМ-7 последовательно устанавливаются микрошлифы свинцово-сурьмянистых сплавов различного химического состава; 3. Изучается микроструктура каждого шлифа и определяется количественное соотношение структурных составляющих; 4. Производится зарисовка микроструктур. Порядок оформления отчета 57 В отчете приводится: 1. Цель работы и задания по ее выполнению. 2. Оптическая схема металлографического исследовательского микроскопа. 3. Краткое описание методики изготовления шлифов. 4. Схемы микроструктур трех типовых сплавов: доэвтектического, эвтектического и заэвтектического с указанием их химического состава, количества эвтектики и первичных кристаллов свинца или сурьмы. Контрольные вопросы 1. Металлографический микроскоп. Принцип работы, основные узлы. 2. Методика изготовления шлифов. 3. Сущность и назначение микроструктурного анализа. 4. Методика выявления микроструктуры на шлифах методом травления. 5. Особенности структуры эвтектического сплава Pb-Sb. 6. Особенности структуры доэвтектического сплава Pb-Sb. 7. Особенности структуры заэвтектического сплава Pb-Sb. 8. Методика проведения работы. 9. Оборудование проведения анализа. 10. Порядок проведения работы. 11. Отчет по итогам лабораторной работы. 58 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ И МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ» В промышленности железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основными и наиболее распространенными металлическими сплавами. Первым, кто положил начало изучению диаграммы состояния железо- углерод, был Д.К. Чернов. В своей работе «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же вопросу», опубликованной в 1868 г., он впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода, тем самым дав первое представление о диаграмме железо-углерод [2]. Железо с углеродом образуют несколько химических соединений: Fe 3 C, Fe 2 C, FeC. Диаграмму состояния железо-углерод (Fe-C) строят в основном для химического соединения Fe 3 C (цементита), с содержанием углерода 6,67%. Это объясняется тем, что сплавы, которые имеют в своем составе большее количество углерода, не применяются на практике в силу их высокой хрупкости. Кроме цементита в системе Fe-C происходит образование графита. И хотя цементит является менее устойчивой фазой в отличие от графита, тем не менее, кинетически образование цементита более вероятно. Диаграмму состояния железо-цементит называют метастабильной диаграммой, а диаграмму железо-графит – стабильной [5]. 59 Компоненты и фазы в системе Fe-C Железо представляет собой металл серебристого цвета с атомной массой 55,85 и температурой плавления 1536°С. В зависимости от степени чистоты механические свойства железа меняются. Различают техническое железо (I), железо прямого восстановления (II) и сверхчистое железо (III). В таблице 4.1. представлены показатели механических характеристик по каждому типу. Таблица 4.1 – Показатели механических характеристик железа в зависимости от его чистоты [3] Механические характеристики I II III Предел прочности при растяжении σ B , МПа 250 200 50 Предел текучести σ T , МПа 120 100 25 Относительное удлинение δ, % 50 60 70 Относительное сужение ψ, % 85 90 100 Твердость HB, МПа 800 700 600 Существенно важной особенностью железо-углеродистых сплавов является то, что основной компонент – железо существует в двух полиморфных (аллотропных) модификациях: α-железо (Fe ), имеющее кристаллическую решетку ОЦК, и γ-железо (Fe ), имеющее кристаллическую решетку ГЦК. На рисунке 4.1. изображена кривая охлаждения чистого (технического) железа. Как видно из рисунка, α-железо устойчиво ниже 910°С и выше 1392°С. В интервале температур 1392 – 1539°С α-железо иногда обозначают как δ-железо, хотя оно не представляет собой новой аллотропной формы [1,2]. При температурах выше 910°С и ниже 1392°С свободная энергия γ-железа меньше, следовательно в интервале температур 910 – 1392°С преобладает решетка ГЦК. 60 При температуре 768°С α-железо претерпевает магнитное превращение: происходит переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное, то есть ниже этой температуры α-железо магнитно, а выше – становится немагнитным [1,3]. Критическая точка (768°С), соответствующая такому переходу называется точкой Кюри. Углерод представляет собой неметаллический элемент с атомной массой 12,011 и температурой плавления 3500°С. Углерод растворим в железе и образует твердые растворы внедрения. В зависимости от кристаллической формы растворимость углерода в железе меняется. В α- железе растворимость мала и составляет менее 0,02%, а в γ-железе она существенно больше и доходит до 2,14%. Это объясняется тем, что диаметр пор (свободного места) кристаллических решеток ОЦК и ГЦК отличаются. В решетке ОЦК размер поры значительно меньше и его недостаточно, чтобы вместить атом углерода. В природе углерод может существовать в разных аллотропных модификациях, например в виде алмаза, графита, графена. В железоуглеродистых сплавах углерод в свободном виде находится только в форме графита. В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкость (обозначается буквой Ж); феррит (обозначается буквой Ф, α или Fe ); аустенит (обозначается буквой А, γ или Fe ); цементит (обозначается буквой Ц или Fe 3 C); графит (обозначается буквой Г). 61 Рисунок 4.1 – Кривая охлаждения чистого (технического) железа Жидкая фаза представляет собой жидкий раствор углерода в железе [2]. Под воздействием высоких температур железо хорошо растворяет в себе углерод. Феррит – это структурная составляющая, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода и других примесей в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% [1]. По свойствам феррит очень близок к чистому 62 (техническому) железу и представляет собой мягкую пластичную фазу с твердостью HB 80-100. Аустенит – это структурная составляющая, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода и других примесей в γ-железе. Аустенит отличается высокой пластичностью и твердостью HB 160-180. При температуре 1147°С аустенит может содержать до 2,14% углерода, а при температуре 727°С – 0,8% углерода[5]. Цементит – карбид железа – представляет собой химическое соединение железа с углеродом. У цементита сложная ромбическая плотноупакованная кристаллическая решетка. Температура плавления цементита точно не определена, по некоторым данным она составляет около 1252°С [5]. До температуры порядка 210°С цементит слабо ферромагнитен, а при достижении её и выше неё цементит теряет свои магнитные свойства. Характерными особенностями цементита является высокая твердость (HB 800 [5], легко царапает стекло) и практически нулевая пластичность. Цементит – неустойчивое соединение, поэтому при определенных условиях он распадается, образуя свободный углерод в виде графита. Графит – одна из аллотропных модификаций углерода со слоистой гексагональной кристаллической решеткой. Характерными особенностями графита является пластичность и низкая прочность. Однако, с увеличением температуры прочность графита растет и при 2500°С графит становится прочнее всех тугоплавких металлов. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe 3 C) Диаграмма состояния железо-цементит (рисунок 4.2) построена в координатах «температура (по оси абсцисс, в °С) – концентрация углерода (по оси ординат, в %). Максимальная концентрация углерода для данной диаграммы составляет 6,67%, что соответствует 100%-ной доле цементита. 63 Ри су но к 4 .2 – Ди агр амма состо ян ия желез о- угл ер од ( Fe -Fe 3 C ) 64 Координаты характерных точек диаграммы состояния железо- цементит и пояснение к ним приведены в таблице 4.2, а обозначение и физический смысл основных линий диаграммы – в таблице 4.3. Таблица 4.2 – Координаты характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe 3 C (рисунок 4.2) и пояснение к ним Точка Температура (t), °С Концентрация углерода (C),% Пояснение A 1539 0 Температура плавления чистого (технического) железа N 1392 0 Полиморфное превращение δ↔γ в чистом (техническом) железе G 911 0 Полиморфное превращение α↔γ в чистом (техническом) железе H 1499 0,1 Предельно насыщенный углеродом δ-феррит при перитектическом превращении J (I) 1499 0,16 Аустенит, возникающий в результате перитектического превращения B 1499 0,51 Жидкая фаза, находящаяся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при при перетектическом превращении D 1252 6,67 Предполагаемая температура плавления Fe 3 C E 1147 2,14 Аустенит, предельно насыщенный углеродом C 1147 4,3 Жидкая фаза, испытывающая эвтектическое превращение F 1147 6,67 P 727 0,02 Феррит, предельно насыщенный углеродом при эвтектоидном превращении S 727 0,8 Аустенит, испытывающий эвтектоидное превращение 65 K 727 6,67 Q 20 0,006 Феррит, предельно насыщенный углеродом L 20 6,67 Таблица 4.3 – Обозначение и физический смысл основных линий диаграммы состояния Fe-Fe 3 C (рисунок 4.2) Обозначение линии Физический смысл AB Линия ликвидус, определяющая температуру начала процесса кристаллизации δ-феррита из жидкого сплава AH Линия солидус, представляющая собой температурную границу области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита BC Линия ликвидус, соответствующая температуре начала процесса кристаллизации аустенита из жидкого сплава J(I)E Линия солидус, представляющая собой температурную границу области жидкого сплава и кристаллов аустенита CD Линия ликвидус, соответствующая температуре начала процесса кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава HJB Линия, перетектического превращения ECF Линия солидус, соответствующая кристаллизации эвтектики PSK (A1) Линия эвтектоидного превращения HN Начало полиморфного превращения δ→γ в сплавах при охлаждении JN (A4) Конец полиморфного превращения δ→γ в сплавах при охлаждении ES (A) Линия предельной растворимости углерода в аустените; начало выделения избыточного углерода в виде вторичного цементита из аустенита при охлаждении GS (A3) Начало полиморфного превращения γ→α в сплавах при охлаждении; начало выделения феррита из аустенита при охлаждении GP Линия предельной растворимости углерода в феррите PQ Линия предельной растворимости углерода в феррите; начало выделения избыточного углерода в виде третичного цементита из феррита при охлаждении |