Изучение микроструктуры сталей

В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

 

Цель работы

 

   1.1. Изучить микроструктуру отожженных углеродистых сталей.

   1.2. Изучить принцип формирования структуры у сталей с разным содержанием углерода.

Задание

 2.1. Рассмотреть микроструктуру отожженных углеродистых сталей под микроскопом.

 2.2. Определить по характерному рисунку тип стали (заэвтектоидные, эвтектоидные, доэвтектоидные).

    2.3.  Зарисовать микроструктуры сталей.

 

Оснащение рабочего места

    3.1. Металлографические микроскопы МИМ -2.

    3.2. Коллекция шлифов сталей.

    3.3. Альбом фотографий микроструктур углеродистых сталей.

    3.4. Тренажер «Диаграмма Fe – Fe₃C».

Техника безопасности

4.1. Микроскопы находятся под напряжением, поэтому включать и выключать их можно только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

    4.2. Поверхность микрошлифов руками не трогать и не протирать тканью. 4.3. Процесс наблюдения вести по одному, без лишней суеты.

    4.4. В случае возникновения неисправности сообщить преподавателю или учебному мастеру.

    4.5. Запрещается самостоятельно устранять неисправности оборудования.

Последовательность выполнения работы

 

Лабораторная работа проводится в металлографической или термической лаборатории.

5.1.   Изучить содержание основных положений работы.

5.2. Разобаться с помощью тренажера со стальной частью диаграммы                      Fe – Fe₃C.

5.3. Получить навыки определения под микроскопом элементов структуры стали: феррита, цементита, перлита, для чего:

а) рассмотреть фотографии микроструктур в альбоме.

б) рассмотреть под микроскопом подобранные шлифы для изучения структурных составляющих и зарисовать схемы рассмотренных структур.

 5.4. Изучить микроструктуру трех-четырех образцов, относящихся к различным классам стали (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные), определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие.

     5.5. В образце доэвтектоидной стали определить содержание  углерода в %.

Отчет о работе

Отчет о выполнении лабораторной работы должен отражать следующее:

6.1. Название работы.

6.2. Цель работы.

6.3. Список литературы.

6.4. Сведения из теории: основные положения.

6.5. Представить результаты микроструктурного анализа микрошлифов                      с описанием.

6.6. Вывод

 

Работу выполнил:

                         ст.-т___________гр._____________

Работу принял:

                                  ______________________________

Основные положения

 

На диаграмме состояния железо – углерод (рис. 4.1) сплавы, относящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14 %, т.е. левее точки Е. При температурах ниже 727 °С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цементита. Феррит - это твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой (Fe_a). Максимальная растворимость углерода в Fe_a составляет около 0,02 % (точка Р). Цементит - это карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67 % С.

При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор углерода в железе с гранецентрированной кубической решеткой (Fe_g). Предельная растворимость углерода в Fe_g - 2,14 % (точка Е).

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цементит.

 

Рисунок 4.1 – Диаграмма Fe – Fe₃C

 

На линии GS из аустенита начинает выделяться избыточный феррит, а на линии SE - вторичный цементит. На линии Р Q из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727° С аустенит эвтектоидного состава (0,8 % С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом, причем цементит может быть в виде пластинок или зерен (Приложение, рис. 4.4).

Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной. Стали, содержащие менее 0,8 % С называют доэвтектоидными, а более 0,8 % С - заэвтектоидными.

Металлографический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскопа, а наблюдаемая структура называется микроструктурой. Изучение под микроскопом структуры металлов возможно лишь при достаточно интенсивном отражении световых лучей от исследуемой поверхности. Поэтому поверхность образца должна быть специально подготовлена. Образец, поверхность которого подготовлена для металлографического анализа, называется микрошлифом. Для изготовления микрошлифа необходимо вырезать образец из исследуемого металла, получить на нем плоскую, блестящую поверхность, а затем шлиф травят. Существует несколько методов травления, из которых наиболее распространен метод избирательного растворения фаз. Метод основан на различии физико-химических свойств отдельных фаз и пограничных участков зерен. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф поверхности шлифа. Для травления микрошлиф погружают полированной поверхностью в раствор избранного состава и через некоторое время вынимают. Если полированная поверхность станет слегка матовой, травление считается законченным, шлиф сразу же промывают водой, затем спиртом и высушивают фильтровальной бумагой.

Микрошлифы сталей травят 3-4% раствором НNO₃ в спирте, после чего структурно свободные феррит и цементит по сравнению с темным (коричневатым) перлитом выглядят белыми.

При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенита вначале выделяется феррит. Размер ферритных зерен в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскоп феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (Приложение, рис. 1). По мере увеличения концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен феррита убывает (Приложение, рис. 2), а количество перлита увеличивается.

В сплавах, содержащих 0,5-0,75 % C зерна феррита располагаются по границам зерен другой структурной составляющей - перлита - в виде разорванной сетки (Приложение, рис. 4.3).

В доэвтектоидной стали, перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение. Темные пластинки, видимые в перлите, представляют собой тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками цементита. Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц цементита в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость зернистого перлита 160-220 НВ, а пластинчатого - 200-250 НВ. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастает. Форма цементитных частиц влияет на обрабатываемость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием, если имеют структуру пластинчатого перлита, а эвтектоидные и заэвтектоидные - зернистого.

В заэвтектоидных сталях возможно выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита (Приложение, рис. 4.5). Это происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в виде игл (вследствие значительного перегрева).

Итак, можно выделить четыре типа структур сталей.

Первый тип структуры - феррит и третичный цементит - наблюдается в низкоуглеродистых сталях, содержащих до 0,02 % С (т. Р). Такие стали называются техническим железом.

Второй тип структуры - феррит и перлит - наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержащих от 0,02 до 0,8 % С (т. S). Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ней перлита.

Третий тип структуры - перлит - наблюдается в эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С.

Четвертый тип структуры - вторичный цементит и перлит - наблюдается в заэвтектоидной стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % (т. Е).