Вивчення процесу кристалізації
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6
Вивчення структур подвійних сплавів
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7
«ВИВЧЕННЯ МІКРОСТРУКТУР вуглецевих СТАЛЕЙ У РІВНОВАЖНОМУ СТАНІ»
Мета роботи:Вивчити мікроструктури вуглецевих сталей у рівноважному стані; установити взаємозв'язок між структурою сплаву і його властивостями.
Вступ
Вуглецеві сталі – сплави заліза з вуглецем, у яких міститься до 2,14 % вуглецю.
Залізо – метал сріблистого кольору. Температура плавлення 1539°С (± 5°С). Технічне залізо має високу пластичність (d = 50 %, y = 85 %), малу міцність (sВ = 250 МПа), твердість – 80 НВ.
Залізо може знаходитися в двох модифікаціях: a-залізо і g-залізо.
Модифікація a-заліза існує в інтервалі температур до 911°С і від 1392 до 1539°С (високотемпературна модифікація іноді називається d-залізом). Залізо даної модифікації має об¢ємноцентровану кубічну гратку.
Модифікація g-заліза існує в інтервалі температур від 911 до 1392°С, має граньоцентровану кубічну гратку.
До температури 7680С залізо зберігає феромагнітні властивості, при нагріванні вище цієї температури залізо переходить у парамагнітний стан.
Вуглець – є неметалічним елементом, важкість 2,5 г/см3, температура плавлення 3500°С. Вуглець є поліморфним матеріалом. У звичайних умовах він знаходиться у виді модифікації графіту, але може існувати й у виді метастабільної модифікації алмаза. Вуглець розчинний у залізі в рідкому і твердому станах. У сталях може знаходитися у виді хімічно зв'язаних з¢єднань – карбідів заліза (FeС, Fe2C і Fe3C), найбільш стійким з яких є Fe3C.
|
|
|
Взаємодіючи з вуглецем, залізо утворює тверді розчини проникання – ферит і аустеніт або хімічне з¢єднання (карбід заліза Fe3C, тобто цементит).
Ферит (Ф) – твердий розчин проникання атомів вуглецю в a-залізо. Ферит має об¢ємноцентровану кубічну гратку. Розрізняють низькотемпературний ферит (a-ферит) і високотемпературний ферит (d-ферит). Максимальна розчинність вуглецю в a-залізі складає 0,025 % при температурі 7270С. Зі зниженням температури розчинність знижується і при кімнатній температурі складає 0,006 % вуглецю. Високотемпературний d-ферит має граничну розчинність вуглецю 0,1 % при температурі 14990С. У мікроструктурі, після травлення, ферит має вигляд світлих зернин. Ферит має низьку міцність (sВ = 250 МПа) і твердість (НВ 80 – 90), але високу пластичність (d = 50%; y= 80%), підвищені магнітні і корозійні властивості.
Аустеніт (А)– твердий розчин проникання атомів вуглецю в g-залізо. Аустеніт має граньоцентровану кубічну гратку (рис. 1, а). Гранична розчинність вуглецю в g-залізі складає 2,14% при температурі 11470С. Зі зниженням температури розчинність вуглецю знижується і при 7270С складає 0,8 %. Рівноважний аустеніт може існувати тільки при високих температурах (вище 727°С).При більш низькій температурі він розпадається з утворенням інших структур. Аустеніт є немагнітною фазою, володіє високою хімічною стійкістю, гарною опірністю стиранню і великою в'язкістю. Аустеніт має невисокі твердість (НВ 160 – 200) і міцність (sВ = 600 – 800 МПа), але високу пластичність (відносне подовження d = 40 – 50 %).
|
|
|
Цементит (Ц) – хімічна сполука заліза з вуглецем – карбід заліза Fe3C; у який міститься 6,67 % вуглецю. Цементит має складну ромбічну ґратку з щільним упакуванням атомів (рис. 1, б). Температура плавлення цементиту точно не визначена в зв'язку з можливістю його розпаду при нагріванні і приймається 12500С. Цементит має дуже високу твердість (>800 НВ), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. При звичайних температурах цементит має низькі феромагнітні властивості, які губляться при нагріванні вище 217°С.
Ферит, аустеніт, цементит – це однофазні структури, але в сплавах можуть утворюватися і двофазні структури, як, наприклад, перліт.
 |
Перліт (П) – це механічна суміш фериту і цементиту. Перліт містить 0,8 % вуглецю й утворюється при охолодженні нижче температури 7270С з аустеніту в результаті евтектоїдного перетворення:
|
|
|
АS ® ФР + Ц.
У залежності від форми часточок цементиту перліт може мати пластинчасту і зернисту будову (рис. 5).
Сталь із зернистим перлітом має більш низьку твердість, границю міцності і, відповідно, більш високі значення щодо подовження і звуження. Наприклад, евтектоїдна сталь із пластинчастим перлітом має твердість НВ 228, а з зернистим перлітом – НВ 163; відповідно границя міцності 820 і 630 МПа і відносне подовження 15 і 20 %.
Утворення тих чи інших фаз і структур у залізовуглецевих сплавах можна вивчити, розглядаючи процеси, що відбуваються в них відповідно до діаграми стану залізо – цементит (рис. 2).
Рисунок 2 – Діаграма стану залізо – вуглець
Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю до 0,025 % називають
технічним залізом, з концентрацією вуглецю від 0,025 до 2,14 % – сталями.
Сталі по змісту вуглецю поділяються на:
– доевтектоїдні зі змістом вуглецю від 0,025 до 0,8 %;
– евтектоїдні зі змістом вуглецю 0,81 %;
– заевтектоїдні зі змістом вуглецю від 0,82 до 2,14 %.
Технічно чисте залізо – зі змістом вуглецю менш 0,006 % має однофазну структуру, що складається з одного фериту. При змісті вуглецю більш 0,006 %, але менш 0,025 % структура технічно чистого заліза складається з фериту і цементиту третинного (Ц III), що виділяється по границях зернин фериту.
|
|
|
 |
Виділення третинного цементиту при охолодженні відбувається внаслідок зменшення розчинності вуглецю у фериті по лінії PQ (рис. 2). Включення третинного цементиту по границях зерен різко знижує пластичність фериту. Мікроструктура технічно чистого заліза показана на рис. 3.
Хімічно чисте залізо через труднощі його одержання застосовують тільки при лабораторних дослідженнях. У техніці найчастіше застосовують так називані технічні сорти чистого заліза.
Доевтектоїдні сталі – мають структуру, що складається з фериту і перліту (рис. 4). До доевтектоїдних сталей відносять сплави, що містять від 0,025 до 0,8 % вуглецю.
У доевтектоїдних сталях після травлення 5 % розчином HNO3 ферит виділяється у виді світлих зернин, а перліт – у виді темних зернин, що мають пластинчасту будову.
По змісту вуглецю доевтектоїдні сталі можна підрозділити на:
– маловуглецеві зі змістом вуглецю від 0,025 до 0,25 % (рис. 4, а);
– середньовуглецеві зі змістом вуглецю від 0,25 до 0,6 % (рис. 4, б);
 |
– вуглецеві (високовуглецеві) зі змістом вуглецю більш 0,6 % (рис. 4, в).
Кількість фериту і перліту в доевтектоїдній сталі залежить від змісту вуглецю. Зі збільшенням змісту вуглецю кількість фериту зменшується, а кількість перліту збільшується. Так, у доевтектоїдних маловуглецевих сталях у структурі переважає надлишковий ферит, перліту – значно менше (рис. 4, а). У середньовуглецевих доевтектоїдних сталях кількість фериту і перліту приблизно однаково (рис. 4, б), у високовуглецевих – значно більше перліту (рис. 4, в).
Звичайно при рисуванні структур доевтектоїдних сталей студент натрапляє на труднощі в зображенні перліту. У сталях перліт часто має пластинчасту будову: складається з пластинок фериту і цементиту, що чергуються, співвідношення товщин яких дорівнює 7:1. Тому, навіть у тих випадках, коли через недостатнє збільшення оптики мікроскопа пластинки фериту і цементиту роздільно не розрізняються, і перліт виглядає суцільним, однорідним по фарбуванню зерном, схематично цю структурну складову прийнято зображувати пластинчастою (рис. 4).
У доевтектоїдних сталях по співвідношенню площ, займаних у досліджуваній сталі – перлітом і феритом, можна приблизно оцінити зміст у ній вуглецю. У зв'язку з тим, що у фериті розчинена дуже невелика кількість вуглецю, практично можна вважати, що в доевтектоїдних сталях весь вуглець знаходиться в перліті. Таким чином, визначивши площу, займану в структурі перлітом, і знаючи, що в структурі, що складається з 100 % перліту, міститься 0,81 вуглецю, можна визначити зміст вуглецю в досліджуваній сталі користуючись формулою:
;
де FП – площа, зайнята перлітом у %.
Наприклад, якщо на розглянутому полі шліфа перліт займає, приблизно, 30 % площі мікроструктури, то зміст вуглецю стали дорівнює близько 0,24%:
.
Знаючи процентний зміст вуглецю можна визначити марку сталі.
Евтектоїдна сталь – містить 0,81 % вуглецю. Її структура складається з перліту (100 %). Поверхня мікрошліфа має перламутровий відлив, у зв'язку з чим перліт і одержав свою назву. Труднощі зображення структури полягають у тому, що як і в доевтектоїдних сталях, при середніх і малих збільшеннях оптики мікроскопа, у перліті не розрізняються окремо пластинки фериту і цементиту, і, крім того, важко розрізнити границі між окремими перлітними зернинами (колоніями). У цьому випадку потрібно області в структурі з однорідним фарбуванням зображувати у виді окремих перлітних колоній, що примикають одна до одної, з характерною для кожної пластинчастою будовою (рис. 5, а).
Крім пластинчастої перліт може мати і зернисту будову (рис. 5, б). У такому перліті цементит у виді глобул розташований у феритних зернинах. Така структура називається зернистим перлітом. Крім евтектоїдної сталі зернистий перліт може бути в заевтектоїдних сталях.
 |
Заевтектоїдна сталь – містить вуглецю від 0,82 % до 2,14 %. Структура заевтектоїдних сталей складається з перліту і цементиту вторинного (рис. 6).
 |
Вторинний цементит виділяється з аустеніту при охолодженні від температури лінії SE до лінії евтектоїдної рівноваги (PSK) унаслідок зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (рис. 2).
При повільному охолодженні вторинний цементит виділяється у виді сітки (оболонки) по границях зернин аустеніту, що при охолодженні нижче температури 727°С (лінія PSK) перетворюється в перліт.
Зміст цементиту вторинного в структурі заевтектоїдної сталі зростає зі збільшенням концентрації вуглецю від 3,4 % при (1 % С) до 20,4 % при (2,0 % С).
Вторинний цементит досить чітко виявляється при звичайному травленні в 4 %-вому спиртовому розчині азотної кислоти.
У доевтектоїдних сталях, що містять трохи менше 0,8 % С, надлишковий ферит також може виділятися у виді сітки по границях зернин перліту: дана сітка при травленні вищезгаданим реактивом також виходить світлою. Якщо викликає сумнів, чи є сталь доевтектоїдною чи заевтектоїдною, тобто чи є світла сітка феритною чи цементитною, прибігають до контрольного травлення пікратом натрію. Пікрат натрію офарблює цементит у темнокоричневий колір. Тому, якщо сітка після травлення пікратом натрію залишилася світлою, значить це ферит і сталь доевтектоїдна, якщо ж сітка стала темною – сталь заевтектоїдна.
Підводячи підсумки мікроструктурного аналізу вуглецевих сталей, необхідно відзначити наступне – технічне залізо і всі вуглецеві сталі при кімнатних температурах складаються з двох фаз: фериту і цементиту.
При збільшенні змісту вуглецю кількість фериту в структурі поступово зменшується, а цементиту навпаки – збільшується. Так, технічне залізо при змістах вуглецю менш 0,006 % складається тільки з фериту, а при більш високих – з фериту і цементиту третинного. У доевтектоїдних сталях крім цементиту третинного є присутнім цементит перлітний, кількість якого зі збільшенням змісту вуглецю в сталях безупинно росте аж до евтектоїдної концентрації (0,81 % С). У заевтектоїдних сталях подальший ріст кількості цементитної фази забезпечується за рахунок цементиту вторинного.
Оскільки уже відомо, що ферит є дуже м'якою маломіцною і пластичною фазою, а цементит – дуже твердою і крихкою фазою, логічно припустити, що зі збільшенням змісту вуглецю твердість і міцність вуглецевих сталей повинна збільшуватися, а пластичність знижуватися. Це, в основному, підтверджується механічними випробуваннями сталей (рис. 7).
Зниження границі міцності сталей при змістах вуглецю понад 1,0 % пояснюється прогресуючим підвищенням крихкості заевтектоїдних сталей за рахунок утворення карбідної сітки з крихкої цементитної фази в їхній структурі.
 |
Порядок складання звіту
1. Коротко викласти мету роботи і теорію питання.
2. Накреслити частину діаграми стану залізовуглецевих сплавів, стосовно
до сталей.
3. Вивчити мікроструктури вуглецевих сталей на шліфах у порядку зрос-
тання в них змісту вуглецю.
4. При перегляді колекції шліфів у доевтектоїдних сталях визначити зміст
вуглецю.
5. Схематично зарисувати мікроструктури вуглецевих сталей, вказати
стрільцями фази і структурні складові.
Питання для самоконтролю
1. Які сплави називаються сталями?
2. Як поділяються сталі відповідно до діаграми стану залізо-цементит?
3. Які фази характерні для вуглецевих сталей вище 727 0С?
4. Які фази характерні для вуглецевих сталей нижче 727 0С?
5. Що таке ферит?
6. Що таке аустеніт?
7. Що таке цементит?
8 Що таке перліт?
9. Яка з фаз є немагнітною?
10. Яка структура технічно чистого заліза?
11. Яка структура доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталей при температурах нижче 727 оС?
12. Як визначається зміст вуглецю в доевтектоїдних сталях?
13. Які фази утворюють зернистий перліт?
14. При яких температурах може існувати аустеніт у відповідності с діаграмою стану залізо-цементит?
15. Поясните, як зі збільшенням змісту вуглецю в сталях змінюются їхня твердість, тимчасовий опір, характеристики пластичності й ударної в'язкості? Чому?
ОСНОВНІ ПРАВИЛА ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ
1. Перед проведенням роботи інженер, що підготовляє мікроскопи, зобов'язаний перевірити технічний стан приладів, звернувши особливу увагу на цілісність мережного шнура, вилки і розетки, і повідомити про можливості їхнього використання викладачу, під керівництвом якого ця робота виконується.
2. До виконання роботи допускаються студенти, що вивчили дані методичні вказівки і пройшли інструктаж з техніки безпеки.
3. Всі операції при проведенні роботи студенти повинні виконувати
тільки за вказівкою викладача і під його керівництвом.
4. Студент, що знайшов несправність мікроскопа, у процесі спостере
жень повинний негайно припинити роботу і сповістити про це викладачу.
5. Забороняється залишати без догляду мікроскоп, включений у мережу. Тумблер «Мережа» на трансформаторі повинний бути вимкнений.
6. Заміна перегорілої лампи освітлювача проводиться при вимкненому тумблері «Мережа» на трансформаторі і тільки викладачем чи лаборантом.
7. Після закінчення роботи варто вимкнути освітлювальну лампу з до
помогою тумблера «Мережа», а потім прилад відключити від мережі.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1. Гуляев А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
3. Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 455 с.
4. Лившиц Б.Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. – 236 с.
5. Константинов В.В. Материаловедение для гальваников. – М.: Высш. шк., 1989. – 80 с.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1015; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!