Микроструктура сталей и чугунов




Скачать 238.74 Kb.
НазваниеМикроструктура сталей и чугунов
Дата публикации05.07.2013
Размер238.74 Kb.
ТипЛабораторная работа
zadocs.ru > Химия > Лабораторная работа
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

МИКРОСТРУКТУРА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Цель работы: Изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назначение сталей и чугунов.

  1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют собой, как прави­ло, литейные материалы. Примеры использования этих материалов даны ниже. Легковой автомобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении общая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80 % от массы металлорежу­щего станка.

Основу химического состава сталей и чугунов составляет железо с добавками углерода менее 2,14 % (стали) или более 2,14 % (чугуны). У многих марок этих материалов дополнительно содержатся легирующие химические элементы (хром, кремний, марганец, никель, молибден и др.). Перечень основных видов сталей и чугунов по государственным стандартам приведен в табл. 3 и 4. В машиностроении преиму­щественно применяются конструкционные стали и отливки из чугунов, используемые для изготовления деталей машин и различных сооруже­ний, и инструментальные стали для металлорежущих, штамповых, из­мерительных и других инструментов.

При изучении строения и определении качества металлических ма­териалов в материаловедении широко используется микроструктурный анализ.

Микроанализ - изучение строения поверхностей шлифо­ванных, полированных и протравленных образцов - микрошлифов с по­мощью металлографических оптических микроскопов при увеличениях обычно от ´100 до ´1000.

Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется микроструктурой. Микроструктура разных по химичес­кому составу материалов и после их различной обработки отличается по размеру, геометрической форме, цвету, взаимному расположению отдельных структурных составляющих

Микроанализ основан на использовании законов отражения и пог­лощения световых лучей от поверхности непрозрачных металлических материалов (рис. 3). Полированная металлическая поверхность от­ражает направленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая. При наличии в материале неметалли­ческих составляющих структуры они видны как темные, так как погло­щают световые лучи.

Стали, получаемые кислородно - конверторным, электросталеплавиль-ным и другими способами, содержат неметаллические включения. Это химические соединения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом и др.).

Таблица 3. Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам


№№ ГОСТа

Наименование стандарта

380-88

535-88
1050-88

1414-75Е
1435-90
4543-71
5632-72
5950-73
14959-79
19265-73

Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.

Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия.

Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия.

Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия

Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали

Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия

Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия

Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия.

Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.


Таблица 4. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам


№№ ГОСТа

Наименование стандарта

1215-79

1412-85

1585-85

7293-85

7769-82
28394-89

Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия.

Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.

Чугун антифрикционный для отливок. Марки.

Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки.

Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.

Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.




Рис. 3. Схема отражения световых лучей от поверхности полированного (а) и подвергнутого травлению (б) микрошлифа.

Основными видами неметаллических включений в стали по ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды и карбонитриды (MnS, SiO2, TiN, nFeO mMnO pSiO2 и др.). Оксиды и нитриды являются хрупкими и при прокатке стали располагаются в виде строчек или рассредоточенных точечных частиц. Пластичные сульфиды получают форму продолговатых линз. Силикаты имеют сложный химический состав и могут быть пластичными или хрупкими.

После травления шлифа химическим реактивом различные структур­ные составляющие материала растворяются в разной степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие выступающих и углубленных участков). На отдельных участках этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и темные различных оттенков.

Данные о фазовом строении и структуре материалов в равновесном состоянии получают из приведенных в учебниках и справочниках диа­грамм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «темпера­тура - химический состав» содержат информацию о фазах (первичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диа­грамм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к рав­новесному состоянию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диаграмма состояния железо – углерод дана на рис. 4.



Рис. 4. Диаграмма состояния железо – углерод
Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости компонентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе в твердом состоянии. У железа наблюдаются два полиморфных превращения:

tG tN

Fe Fe ; Fe Fe

Железо модификаций  и  имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диаграмме состояния железо-углерод образуются три области твердых растворов углерода в железе:

- область NJESGN твердого раствора  (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe (ГЦК);

- две области QPGQ и AHNA твердого раствора  (феррита Ф), т.е. раствора углерода в Fe (ОЦК).

В правой части метастабильной диаграммы состояния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твердого раствора небольшого количества железа в химическом соединении Fe3C, т.е. цементита Ц.

Следовательно, в сплавах метастабильной диаграммы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит, цементит. Остальные области диаграммы состояния, ограниченные сплошными линиями, являются двухфазными, т.е. состоят из тех или иных двух фаз.

На диаграмме состояния имеются также горизонтальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где в равновесном состоянии существуют по три фазы:

 линия HJB перитектического превращения:

tHJB


Жв + Фн АJ

 линия ECF эвтектического превращения:

tECF


Жc е (Ае + ЦF) (эвтектика-ледебурит Л)

 линия PSK эвтектоидного превращения:

tPSК


АS е (Фр + ЦК) (эвтектоид - перлит П)

В сплавах железо – углерод - кремний в зависимости от количества углерода и кремния, численной величины скорости охлаждения существовуют две разновидности диаграммы состояния железо-углерод: метастабильная (железо-цементит) и стабильная (железо - графит).

У сталей и чугунов в равновесном состоянии имеются следующие фазы:

^ Жидкий раствор (Ж) на основе железа.

Феррит (Ф)- твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе Fеa с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относитель­ное удлинение 50 %).

^ Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легирующих элемен­тов в железе Feg с кристаллической решеткой гранецентрированного куба (ГЦК).

Цементит (Ц) - раствор небольшого количества железа в карбиде железа Fe3C.

Образуются также и более сложные структурные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре:

^ Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образуется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в результате следующего фазового превращения аустенита:

tpsk


А Ф + Ц (П)

Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и частиц цементита в форме мелких зерен.

^ Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участков, состоящий из белого цементита -основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот леде­бурит состоит из цементита и аустенита :

tecf


Ж А + Ц (Л)

Многочисленные стали разных марок, отличающиеся химическим составом, по микроструктуре в равновесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (табл. 5). Представление о структурных классах чугунов дает табл. 6 и структурная диаграмма на рис. 5. Формы включений графита показаны на рис. 6.



Рис. 5. Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная)



Рис. 6. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а - пластинчатая, б - шаровидная, в – вермикулярная, г - хлопьевидная (компактная).
Таблица 2.3. Структурные классы сталей в равновесном состоянии


Структурный класс стали

Химический состав


Микро-структура

Типовое применение в машиностроении

Углерод

С

Типичные легирующие элементы

Доэвтектоидные стали

Ср<С<Сs

Cr, Mn, Ni и др.

Феррит + перлит

Конструкционные стали

Эвтектоидные стали

C= Сs

Cr, W, V и др.

Перлит

Инструментальные стали

Заэвтектоидные стали

СsE

Cr

Перлит и карбиды вторичные

Инструментальные стали

Стали карбидного (ледебуритного) класса

CE

Хром, вольфрам (до 6…12 %)

Перлит, карбиды первичные и вторичные

Инструментальные стали


Стали аустенитного класса



Десятые доли % и менее

Никель, марганец (до 13…20 %)

Аустенит легированный

Коррозионно- стойкие стали. Жаропрочные стали

Стали ферритного класса

Кремний, хром

Феррит легированный

Электротехнические стали. Кислотостойкие стали


Таблица 6. Типичные структурные классы чугунов


Структурный класс чугуна

Микроструктура

Белые чугуны:

  • доэвтектические (СЕС)

  • эвтектический (С= CС)

  • заэвтектические (CС F)


Ледебурит, перлит и карбиды вторичные

Ледебурит

Ледебурит и карбиды первичные

Половинчатые чугуны

Ледебурит, перлит, вторичный цементит и графит

Чугуны с пластинчатым графитом ЧПГ

Перлит и графит; феррит, перлит и графит

Чугуны с шаровидным графитом ВЧШГ


Перлит и графит; перлит, феррит и графит;

бейнит и графит

Чугуны с вермикулярным графитом ЧВГ

Перлит, феррит, графит вермикулярный, до 20…30 % графита шаровидного

Чугуны с хлопьевидным (компактным) графитом ЧХГ

Феррит и графит; перлит и графит

Сведения о характерных механических свойствах углеродистых сталей и конструкционных чугунов приведены в табл. 7.

Таблица 7. Механические свойства сталей и чугунов (без упрочняющей термической обработки)


Наименование материала

Механические свойства



предел прочности при растяже­нии, МПа

относительное удлинение, %

Углеродистые конструкционные стали

321…676

2…15

Конструкционные чугуны:

  • с пластинчатым графитом ЧПГ

  • с вермикулярным графитом ЧВГ

  • с хлопьевидным графитом ЧХГ

  • с шаровидным графитом ВЧШГ



100…440

300…450

300…630

350…1000

0,2…1,1

2,0…6,0

2,0…12,0

2,0…17,0

  1. ^ МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

В работе используются металлографические микроскопы и коллекции микрошлифов. Микроскопы выпускаются различной конструкции. Основны­ми их частями являются: основание, корпус, предметный столик для установки микрошлифа, механизмы грубой фокусировки с макровинтом и микроподачи с микровинтом для точной наводки на фокус, оптическая система, осветитель.

Способность оптической системы микроскопа изображать раздельно две точки (разрешающая способность d, мкм) определяется по формуле:

d = l / 2А ; (А = n sin (a/2)),

где l - длина волны световых лучей, мкм; n - показатель преломления световых лучей средой, находящейся между поверхностью микрошлифа и объективом микроскопа; a- отверстный угол объектива; А - числовая апертура микроскопа (обычно А= 0,17…1,25). При А = 1,25 и l= 0,55 мкм для видимых лучей спектра микроскоп позволяет видеть структурные составляющие размером d = 0,2 мкм.

  1. ^ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры сталей и чугунов, как правило, при увеличении микроскопа х100, а в некоторых случаях до х600. Студентам предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований.

Предварительно студенты знакомятся с устройством и работой микроскопа под руководством преподавателя и лаборанта. Для рассмотрения микроструктуры шлиф, запрессованный в пластилин на стеклян­ной пластинке, устанавливается на предметный столик микроскопа. После включения источника света проводится наводка на фокус сна­чала с помощью макровинта, а затем более точно микровинтом. Далее изучается микроструктура шлифов типовых сплавов, описание которых дано в табл. 8. С помощью описания, схем микроструктур (рис. 7) и находящихся в лаборатории фотографий устанавливают, какие структурные составляющие имеет каждый образец, наименование, состав и структурный класс.

Более подробная оценка микроструктуры сталей, проводится по сле-
дующему государственному стандарту: ГОСТ 8233. Сталь. Эталоны микроструктуры.

Путем сравнения микроструктуры изучаемой стали со шкалами структур ГОСТ, определяется количественная характеристика или номер балла по соответствующему признаку. Применительно к равновесному состоянию сплава использование ГОСТ 8233 позволяет определить процентное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях, соотношение количества пластинчатого и зернистого перлита, дисперсность пластинчатого и зернистого пер­лита. Для оценки неметаллических включений и различных видов неодно­родности микроструктуры в сталях имеются отдельные государственные стандарты: ГОСТ 1763-68, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 5640-68.

Классификация чугунных отливок по микроструктуре металлической основы и графитовым включениям ведется по следующему государствен­ному стандарту: ГОСТ 3443-87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.

Имея количественные данные в процентах о площади, занимаемой в шлифе сплава различными структурными составляющими (П - перлит, Ц - цементит, Л - ледебурит, Г - графит), можно выполнить расчет примерного количества .углерода в сталях и чугунах по следующей общей формуле:

С= 0,8П +6,67Ц +4,3Л / 100 + 30Г /100, %

В доэвтектических белых чугунах для определения соотношения между П и Ц принято: если П + Ц2 = 100 %, то количество П составля­ет 80 %, а цементита вторичного 20 % ( П = 4Ц2)

Вычисления по приведенной формуле действительны для сплавов, находящихся в равновесном состоянии.

Примеры вычислений:

Сталь доэвтектоидная: 40 % П; 60 % Ф: С = 0,8 40/100 = 0,32 %.

Сталь заэвтектоидная: 88% П; 12 % Ц2:С = 0,8 88/100 +6,67 12/100 = 1,50 %.

Чугун ЧПГ: 30 % П; 58 % Ф; 12 % Г: С = 0,8 30/100 + 30 I2/100) =3,84 %.

Чугун белый доэвтектический: 40% Л; 60 % (П+Ц2), то есть 48% П и 12% Ц2:

С=0,8 48/100 + 6,67 12/100 + 4,3 40/100 = 2,9 %.

Чугун белый заэвтектический: 60 %Ц1; 40 % Л:

С = 6,67 60/100 + 4,3 40/100=5,7 %.

Таблица 8. Перечень микрошлифов сталей и чугунов из лабораторных коллекций (типовые примеры)


№№

микрошлифа


Материал

Химический состав, %

Структурный класс

Описание микроструктуры

углерод

С

другие компоненты

1

2

3

4

5

6

^ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

1.


Углеродистая качественная конструкционная сталь 20, ГОСТ 1050-88

0,20


-


Доэвтектоидная сталь


Светлые зерна феррита и темные участки перлита

3.



Инструментальная нелегированная сталь У8, ГОСТ 1435-90

0,80

-



Эвтектоидная сталь


Перлит пластинчатый

4.



Инструментальная нелегированная сталь У8, ГОСТ 1435-90, после отжига

0,80


-

Эвтектоидная сталь

Перлит зернистый



5.

Инструментальная нелегированная сталь У10, ГОСТ 1435-90


1,00

-

Заэвтектоидная сталь

Темные участки перлита и светлая тонкая сетка вторичного цементита

^ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ С СТРУКТУРНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

7.


Сталь конструкционная после перегрева


0,40


-


Доэвтектоидная сталь


Крупные темные участки перлита и светлая широкая сетка феррита

Продолжение табл. 8.

8.

Сталь конструкционная с полосчатостью феррито-перлитной структуры

0,25


-



Доэвтектоидная сталь


Перлит и феррит расположены в виде чередующихся полос.

9.

Сталь инструментальная с обезуглероживанием поверхностного слоя


0,80

-


Эвтектоидная сталь


Перлит в сердцевине, феррит и перлит в поверхностном слое

^ ОБРАЗЕЦ СТАЛИ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

10.

Сталь с неметаллическими включениями (полированный шлиф без травления)

данных нет

-

-

Темные неметаллические включения, вытянутые по направлению деформации

^ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

34.


Легированная конструкционная сталь 40Х, ГОСТ 4543-71

0,40



0,8…1,1 Cr



Доэвтектоидная сталь


Темные участки перлита и светлый феррит

38.



Инструментальная легированная сталь Х12, ГОСТ 5950-73


2,0



11,5…13,0 Cr



Сталь карбидного класса

Перлит мелкозернистый, крупные белые первичные карбиды и более мелкие вторичные карбиды

39.


Коррозионностойкая сталь 12Х17, ГОСТ 5632-72


менее 0,12



16…18 Cr


Сталь ферритного класса

Светлые зерна легированного феррита


40.

Коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т, ГОСТ 5632-72

менее 0,12



17…19 Cr;

9…11 Ni;

не более 0,5 Ti

Сталь аустенитного класса



Светлые зерна легированного аустенита

Продолжение табл. 8.

ЧУГУНЫ

12.



Белый заэвтектический чугун


5,1



данных нет



Чугун белый


Темно-белые участки ледебурита и светлые пластины первичного цементита

14.

Чугун ЧПГ марки СЧ15, ГОСТ 1412-85

3,4

2,2Si ; 0,7 Mn

Чугун с пластинчатым графитом

Темный перлит, светлый феррит и тонкие черные пластины графита

16.


Чугун ЧХГ марки КЧ30-6,ГОСТ 1215-79


2,7


1,2Si ; 0,5 Mn


Чугун с хлопьевидным графитом



Светлые зерна феррита и темный хлопьевидный (компактный) графит

18.


Чугун ВЧШГ марки ВЧ 60, ГОСТ 7293-85

3,5

2,1Si ; 0,6 Mn

Чугун с шаровидным графитом

Темный перлит, светлый феррит и черный шаровидный графит












Рис. 7. Схемы микроструктур сталей и чугунов



Продолжение рис. 7.

Продолжение рис. 7.



Продолжение рис. 7.
^ 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы:

  1. Цель работы.

  2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

  1. Теоретические положения: понятие о микроанализе и микрострук­туре. Характеристика фаз и структурных составляющих сталей и чугунов. Перечисление структурных классов сталей и чугунов.

  2. Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовка схем микроструктур всех изученных сплавов, наименование и марка материала, составляющие структуры, химический состав.

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.

Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
^
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

  1. Понятие микроанализа и микроструктуры материалов.

  2. Какие основные части имеет металлографический микроскоп?

  3. В какой последовательности проводится рассмотрение микрошлифа и изучение микроструктуры?

  4. Что понимается под числовой апертурой микроскопа?

  5. Из каких химических элементов (компонентов) состоят стали и чугуны?

  6. Что представляют собой феррит, цементит, перлит, ледебурит?

  7. Какие структурные классы имеют стали и чугуны?

  8. Какую геометрическую форму имеют включения графита в чугунах

ЧПГ, ВЧШГ, ЧХГ, ЧВГ?

9. Применение и механические свойства сталей и чугунов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П. Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.

Дополнительная:

Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 648 с.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Микроструктура сталей и чугунов iconМикроструктура стали после термической обработки
Цель работы: изучить влияние различных видов термической и химико-термической обработки на микроструктуру и свойства сталей

Микроструктура сталей и чугунов iconМикроструктура цветных сплавов
Цель работы: изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назаначение типовых цветных сплавов машиностроения

Микроструктура сталей и чугунов iconОборудование и технология сварки плавлением
Возможна ли механизированная сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей без дополнительной защиты и если да, то с применением...

Микроструктура сталей и чугунов icon1. легирующие элементы и классификация сталей
Кроме того, углеродистые стали не обладают рядом физико-химических свойств: немагнитностью, жаростойкостью, особыми магнитными, электрическими...

Микроструктура сталей и чугунов iconМ. Чураков Художественный редактор С. Лебедев Художник В. Чугунов...
«Основы» настольной книгой для нескольких поколений психологов, педагогов, философов. Несмотря на то, что с момента первой публикации...

Микроструктура сталей и чугунов iconСправочник ножевых сталей, типы и особенности
Различные типы стали определяются в первую очередь не пропорциям углерода и железа, а легированием добавками и примесями, которые...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов