1 Цель работы
 Скачать 75.54 Kb.
|
1 Цель работы1. Научиться распознавать структурные составляющие сталей и чугунов. 2. Научиться классифицировать сплавы Fe – C по структуре. 3. Ознакомиться со структурой белых и серых чугунов с разной металлической основой и разными формами выделения графита. 2 Краткая теоретическая часть2.1 Диаграмма состояния «железо-углерод»В системе Fe – С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения — феррит и аустенит, а также цементит и графит. Феррит (Ф) — твердый раствор углерода и других примесей в a-железе. Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный d-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (R — атомный радиус железа), а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других примесей в g-железе. g-Fe при температуре 727оС растворяет в себе 0,8%С, а предельная растворимость углерода в g-железе составляет 2,14% при температуре 1147оС. Атом углерода в решетке g-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R, и в дефектных областях кристалла. Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит. Графит - термодинамически стабильная фаза. Кристаллическая решетка графита – гексагональная, слоистая. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Чаще всего присутствует в высокоуглеродистых сплавах - чугунах. Диаграмма состояния «железо-углерод», имеющая техническое применение, включает содержание углерода от 0 до 6,67% (рисунок 1). Содержание углерода 6,67% соответствует 100%-ной доле соединения Fe3C. Таким образом, диаграмма «железо-углерод» представляет часть диаграммы между чистым компонентом А (Fe) и соединением В (Fe3C). Сплошные линии соответствуют метастабильной системе Fe-Fe3C, пунктирные линии изображают стабильную системуFe-C. Диаграмма Fe-Fe3C является характерным примером сложной системы, содержащей три превращения с точками инвариантности: Перитектическое превращение с перитектической точкой при 0,1%С и 1493оС (точка J), в результате чего из расплава и первично выделенного d-твердого раствора (о.ц.к.) образуется g-твердый раствор (г.ц.к.) по реакции : ЖB+ dH® gJ. Эвтектическое превращение при температуре 1147оС и при содержании 4,3%С по реакции ЖC ® gE + Fe3C (точка С). Формирующаяся эвтектика называется ледебуритом.  Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы «железо – углерод» Эвтектоидное превращение g-твердого раствора (аустенит) в a + Fe3C при 0,8%С и 723оС по реакции gS ® aP + Fe3C (точка S). Формирующаяся структура называется перлитом. Железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы в зависимости от содержания углерода. Сплавы, содержащие более 2,14%С, называются чугунами. При затвердевании в них идет эвтектическое превращение. Сплавы, содержащие менее 2,14%С, в ходе затвердевания которых нет эвтектического превращения, называются сталями. При температурах ниже 723оС все стали в равновесном состоянии состоят из двух фаз - феррита и цементита. 2.2 Микроструктура сталейПо микроструктуре в отожженном состоянии различают: а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С); б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С); в) эвтектоидные стали (0,8 %С); г) заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14%С). В техническом железе (рисунок 2, а) микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (до 0,006%С), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями третичного цементита. Третичный цементит образуется по границам зерен феррита вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры и образует разорванную сетку, т.к. количество его невелико: оно достигает максимума в сплаве с 0,025%С и составляет mц=[(0,025 -0,006)/(6,67-0,06)]mспл . В доэвтектоидных сталях две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения аустенита, и эвтектоид - перлит, который возникает при эвтектоидном превращении: g0,8®a0,025 + Fe3C. Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (рисунок 2, б), при малом количестве - в виде сетки по границам зерен аустенита (рисунок 2, в). В сталях с содержанием С £ 0,1% он вырождается: эвтектоидный феррит присоединяется к ферриту избыточному, а эвтектоидный цементит выделяется по границам зерен феррита. Структура в этом случае подобна структуре технического железа.    а) б) в) г) д) а) техническое железо: феррит и третичный цементит по границам зерен; б) доэвтектоидная сталь: зерна избыточного феррита и перлит; в) доэвтектоидная сталь: сетка избыточного феррита и перлит; г) эвтектоидная сталь: перлит; д) заэвтектоидная сталь: перлит и сетка вторичного цементита. Рисунок 2 – Схемы микроструктуры Перлит имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний (рисунок 2, г). Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от состава стали и определяется по правилу рычага: mф/mц = SK/PS = (6,67-0,8) / 0,8 = 7,3. В заэвтектоидных сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Вторичный цементит выделяется перед эвтектоидной реакцией из аустенита из-за уменьшения растворимости углерода в нем при понижении температуры по границам зерен аустенита, образуя сетку (рисунок 2, д). Ячейки этой сетки заполняют колонии перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении после завершения выделения вторичного цементита. Сравнив схемы в и д на рисунке 2, можно заметить, что микроструктура доэвтектоидной стали с сеткой избыточного феррита и заэвтектоидной стали с избыточной сеткой вторичного цементита очень похожи (при травлении 3% раствором HNO3) . Отличить эти сетки можно либо по виду сетки (у заэвтектоидной стали она более «гладкая»), либо окрашивающим травлением. Таким образом, по микроструктуре можно качественно отличить стали с разным содержанием углерода. В таблице 1 приведены данные о фазовых и структурных составляющих сталей. Таблица 1 – Фазовое состояние и микроструктура отожженных углеродистых сталей
По микроструктуре возможна и количественная оценка химического состава стали. Для этого необходимо определить объемную долю V каждой структурной составляющей (методами количественной металлографии), и по правилу рычага найти содержание углерода. Поскольку плотности структурных составляющих приблизительно одинаковы, можно использовать следующие формулы для оценки состава: а) для доэвтектоидной стали %С= Vп × 0,8 (Vп - объемная доля перлита, содержанием углерода в избыточном феррите можно пренебречь); б) для заэвтектоидной стали %С= Vп × 0,8 + (1 - Vп) × 6,67 Фазы в углеродистой отожженной стали сильно отличаются механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Ясно, что механические свойства стали зависят от свойств фаз, однако существенное влияние оказывает и микроструктура. Свойства отдельных фаз и перлита можно сравнить в таблице 2. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой перлита или перлита со вторичным цементитом обладают повышенной твердостью. Таблица 2 – Механические свойства структурных составляющих в углеродистых сталях
3 Порядок выполнения работыа) Просмотреть под микроскопом при увеличении х200 шлифы различных сталей. Зарисовать схему микроструктур с объяснениями. Шлиф технического железа просмотреть при увеличениях х200 и х500. Обратить внимание на расположение третичного цементита. б) Для образцов доэвтектоидных сталей определить содержание углерода по микроструктуре используя методы количественного металлографического анализа. в) Образец эвтектоидной стали просмотреть при увеличении х500 и пользуясь окуляр-микрометром определить соотношение толщин пластинок феррита и цементита. г) Замерить твердость образцов сталей. На каждом образце произвести по 3 замера, рассчитать средние значения НВ и оформить в виде таблицы.
д) Просмотреть под микроскопом шлифы чугунов (по указанию преподавателя). Зарисовать схему микроструктуры с объяснениями. Указать структурные составляющие. 4 Требования к отчетуОтчет по лабораторной работе должен содержать: а) название и цель работы; б) краткую теоретическую часть и диаграмму состояния Fe - C; в) результаты исследования в виде зарисовок микроструктур с описанием структурных составляющих, расчетов состава сплава по микроструктуре, расчет толщин пластинок феррита и цементита, таблиц твердости; г) выводы по работе. 5 Контрольные вопросы1. Какие фазовые превращения при охлаждении происходят в сталях? 2. В сталях какого состава феррит присутствует как структурная составляющая, а в каких - как фаза? 3. В сплавах, какого состава отсутствует перлит? 4. Какой состав имеет сплав, структура которого состоит из феррита? 5. Каково максимально возможное количество вторичного и третичного цементита в углеродистой стали? 6. Каковы различия в затвердевании белых, серых и половинчатых чугунов? 7. Какие фазы возможны в белых чугунах? 8. Какие виды металлической основы наблюдаются в серых чугунах? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||