Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.



Материаловедение. Лаб. практикум -51-

Изучить превращения в сплавах системы железо–цементит и структу-

ры сталей различного состава в равновесном состоянии. Определить содер-

жание углерода в исследуемых сталях и их марки.

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов сталей.

Микроструктуру сталей изучают в равновесном состоянии, когда про-

цессы фазовых превращений полностью закончились, что достигается только

при очень медленном охлаждении. Структурные составляющие железоугле-

родистых сплавов в равновесном состоянии определяют по диаграмме со-

стояния железо–цементит. Особенность диаграммы – наличие на оси соста-

вов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита (рис. 6.1

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, на-

зываются

сталями, а более 2,14 % – чугунами.

Структура стали в равновесном состоянии, зависит от содержания в

ней углерода. После полного отжига в углеродистой стали присутствуют

следующие фазы и структурные составляющие: феррит, цементит, перлит.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе. Он является про-

дуктом диффузионного превращения аустенита при его охлаждении ниже

температур линии GPSK (рис. 6.1

Под микроскопом феррит наблюдается в виде светлых зерен неодина-

ковой яркости (рис. 6.2

). Последнее объясняется неодинаковой травимостью

вследствие анизотропии свойств феррита. Растворимость углерода в феррите

изменяется с изменением температуры, что отражает на диаграмме состояния

(рис. 6.1

) линия GPQ. Максимальное содержание углерода в феррите при

комнатной температуре достигает 0,006 %.

Феррит является пластичной фазой. Его относительное удлинение

δ = 50 %, твердость зависит от концентрации углерода и других растворен-

ных примесей и изменяется в пределах НВ 450–800.

Феррит обладает ферромагнитными свойствами, в парамагнитное со-

стояние переходит при температуре 768 °С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -52-

Рис. 6.1. Диаграмма состояния сплавов системы железо–углерод

а б

Рис. 6.2. Структура феррита: а – фотография микроструктуры;

б – схема зарисовки

Цементит (Ц) – химическое соединение углерода с железом – карбид

железа Fe

C. Кристаллическая решетка цементита очень сложная ромбиче-

ская. Цементит обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводно-

стью, малыми магнитными свойствами до температуры 210 °С.

Температура плавления при атмосферном давлении у цементита не

установлена, так как он является неустойчивым химическим соединением и

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -53-

при высоких температурах распадается на железо и углерод. В зависимости

от условий охлаждения аустенита, цементит может иметь зернистую или

пластинчатую форму.

Цементитная сетка из пластинок, охватывающих зерна перлита в

структуре заэвтектоидной стали, снижает ее пластичность и прочность и уве-

личивает твердость. Цементит – самая твердая составляющая, НВ

= 8 000.

Его пластичность практически равна нулю. Поэтому с возрастанием количе-

ства цементита в стали, при увеличении концентрации в ней углерода твер-

дость стали возрастает, а пластичность падает.

Перлит (П) – эвтектоидная смесь из кристаллов цементита и феррита, об-

разующаяся при диффузионном распаде аустенита в результате медленного ох-

лаждения последнего. Содержание углерода в перлите 0,8 % (точка S, рис. 6.1

При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем

феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной массы

перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что

усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под мик-

роскопом просматривается в виде темных и светлых полосок.

а б в

Рис. 6.3. Структура перлита: а – схема зарисовки зернистого перлита; б – схема зарисовки

пластинчатого перлита; в – фотография микроструктуры пластинчатого перлита

В зависимости от формы цементита различают:

а) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, распо-

ложенных в феррите (рис. 6.3

, а);

б) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму

пластин; последние образуют смесь чередующихся пластин цементита

(рис.

6.3, б, в) и феррита.

Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют

на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет

меньшую твердость, чем пластинчатый. С уменьшением размера цементит-

ных частиц твердость и прочность перлита возрастают.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -54-

Обыкновенный пластинчатый перлит имеет предел прочности

= 820 МПа и относительное удлинение δ = 15 %, а крупнопластинчатый –

= 550 МПа и δ = 5 %. Зернистый перлит имеет σ

= 630 МПа и δ = 20 %.

Твердость пластинчатого перлита НВ 2000–2500, а зернистого –

НВ 1600–2200.

На микрошлифе в обычном оптическом микроскопе при малом увели-

чении (до 200 крат) перлит наблюдается в виде темных зерен, в которых не

видно ни пластин, ни зерен цементита, так как размер цементитных частиц

очень мал.

Структура стали в равновесном состояния зависит от содержания в

ней углерода.

Техническое же

лезо содержит не более 0,02 % углерода и является как

двухфазным, так и однофазным сплавом.

Технически чистое железо называют армко-железом. Его получают в

больших количествах промышленным способом с суммарным содержанием

примесей около 0,15 %.

Сплавы с содержанием углерода до 0,006 % состоят из феррита и в

интервале концентрации 0,006–0,02 % – из феррита и цементита третичного,

который выделяется по гра

ницам ферритных зерен вследствие изменения

растворимости углерода в феррите при изменении температуры.

а б

Рис. 6.4. Доэвтектоидная сталь, в структуре перлит и феррит:

а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % углерода. Стали со-

стоят из

феррита (Ф) (светлые зерна) и перлита (П) (темные зерна)

(рис. 6.4

). Количество перлита увеличивается, а феррита – уменьшается про-

порционально увеличению содержания углерода. По соотношению площа-

дей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, что с опре-

деленной степенью точности соответствует соотношению их объемов, можно

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -55-

определить содержание углерода в стали. Для того чтобы подсчитать содер-

жание углерода в доэвтектоидной стали, необходимо определить площадь

занимаемую перлитом на микрошлифе относительно всего поля зрения, и

умножить на содержание углерода в перлите (0,8 %

– см. рис. 6.1).

Пример: площадь, занятая перлитом,

= 0,6 (относительно 1). Тогда

содержание углерода в данном образце будет: 0,8·0,6 = 0,48 %.

Зная процентное содержание углерода, можно определить марку ста-

ли (табл. 6.1

, табл. 6.2, табл. 6.3).

Таблица 6.1

Сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380-88

Марки стали

Массовая доля элементов, %

углерода марганца кремния

Ст0 Не более 0,23 – –

Ст1кп 0,06–0,12 0,25–0,50 Не более 0,05

Ст1пс 0,06–0,12 0,25–0,50 0,05–0,15

Ст1сп 0,06–0,12 0,25–0,50 0,15–0,30

Ст2кп 0,09–0,15 0,25–0,50 Не более 0,05

Ст2пс 0,09–0,15 0,25–0,50 0,05–0,15

Ст2сп 0,09–0,15 0,25–0,50 0,15–0,30

Ст3кп 0,14–0,22 0,30–0,60 Не более 0,05

Ст3пс 0,14–0,22 0,40–0,65 0,05–0,15

Ст3сп 0,14–0,22 0,40–0,65 0,15–0,30

Ст3Гпс 0,14–0,22 0,80–1,10 Не более 0,15

Ст3Гсп 0,14–0,20 0,80–1,10 0,15–0,30

Ст4кп 0,18–0,27 0,40–0,70 Не более 0,05

Ст4пс 0,18–0.27 0,40–0,70 0,05–0,15

Ст4сп 0,18–0,27 0,40–0,70 0,15–0,30

Ст5пс 0,28–0,37 0,50–0,80 0,05–0,15

Ст5сп 0,28–0,37 0,50–0,80 0,15–0,30

Ст5Гпс 0,22–0,30 0,80–1,20 Не более 0,15

Ст6пс 0,38–0,49 0,50–0,80 0,05–0,15

Ст6сп 0,38–0,49 0,50–0,80 0,15–0,30

Примечания: 1. Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в за-

висимости от химического состава стали, буквы кп, пс, сп – способ раскисления стали (кп

– кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная сталь).

2. Способ раскисления, если он не указан в заказе, устанавливает изготовитель.

3. Массовая доля серы в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,05 %

фосфора не более 0,04 %, в стали марки Ст0 серы – не более 0,06 %, фосфора – не более

0,07 %.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -56-

Таблица 6.2

Сталь углеродистая качественная конструкционная по ГОСТ 1050-88

Марка стали

Массовая доля элементов, %

углерода кремния марганца хрома, не более

05кп Не более 0,06 Не более 0,03 Не более 0,40 0,10

08кп 0,05–0,12 Не более 0,03 0,25–0,50 0,10

08пс 0,05–0,11 0,05–0,17 0,35–0,65 0,10

08 0,05–0,12 0,17–0,37 0,35–0,65 0,10

10кп 0,07–0,14 Не более 0,07 0,25–0,50 0,15

10пс 0.07–0.14 0,5–0,17 0,35–0,65 0,15

10 0,07–0,14 0,17–0,37 0,35–0,65 0,15

11кп 0,05–0,12 Не более 0,06 0,30–0,50 0,15

15кп 0,12–0,19 Не более 0,07 0,25–0,50 0,25

15пс 0,12–0,19 0,05–0,17 0,35–0,65 0,25

15 0,12–0,19 0,17–0,37 0,35–0,65 0,25

18кп 0,12–0,20 Не более 0,06 0,30–6,50 0,15

20кп 0,17–0,24 Не более 0,07 0,25–0,50 0,25

20пс 0,37–0,24 0,05–0,17 0,35–0,65 0,25

20 0,17–0,24 0,17–0,37 0,35–0,65 0,25

25 0,22–0,30 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

30 0,27–0,35 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

35 0,32–0,40 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

40 0,37–0,45 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

45 0,42–0,5 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

50 0,47–0,55 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

55 0,52–0,60 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

58(55пс) 0,55–0,63 0,10–0,30 Не более 0,20 0,15

60 0,57–0,65 0,17–0,37 0,50–0,80 0,25

Примечания: 1. Цифры в обозначении марки показывают среднюю массовую долю уг-

лерода в сотых долях процента.

2. Массовая доля серы в сталях должна быть не более 0,040 %, фосфора – не более

0,035 %.

Таблица 6.3

Инструментальная нелегированная сталь по ГОСТ 1435-90

Марка стали

Массовая доля элемента, %

углерода кремния марганца серы фосфора

У7 0,65–0,74 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У8 0,75–0,84 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У8Г 0,80–0,90 0,17–0,33 0,33–0,58 0,028 0,030

У9 0,85–0,94 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У10 0,85–1,04 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У11 1,05–1,14 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У12 1,15–1,24 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -57-

Продолжение табл. 6.3

Марка стали

Массовая доля элемента, %

углерода кремния марганца серы фосфора

У13 1,25–1,35 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,030

У7А 0,65–0,74 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У8А 0,75–0,84 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У8ГА 0,80–0,90 0,17–0,33 0,33–0,58 0,018 0,025

У9А 0,85–0,94 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У10А 0,95–1,04 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У11А 1,05–1,14 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У12А 1,15–1,24 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

У13А 1,25–1,35 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

Примечание. В обозначении марки стали: буква У – углеродистая; следующая за ней

цифра – средняя массовая доля углерода в десятых долях процента; Г – повышенная мас-

совая доля марганца, А – высококачественная сталь.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода, в ее структуру входит

только перлит (рис. 6.3

Заэвтектоидные стали содержат углерода более 0,8 %. Они состоят из

перлита и цементита вторичного, который расположен обычно в виде свет-

лой сетки или светлых вытянутых зерен (цепочки) по границам зерен перлита

(рис. 6.5

Содержание цементита вторичного в структуре заэвтектоидной стали

возрастает с увеличением концентрации углерода от 3,4 % (при % С = 1 %)

до 20,4 (при

% С = 2 %) от всей массы сплава. Если известно относительное со-

держание вторичного цементита на микрошлифе, можно определить содержа-

ние углерода в данном образце. Для этого к углероду, содержащемуся в перли-

те, нужно добавить углерод, содержащийся во вторичном цементите. Напри-

мер, площадь, занятая вторичным цементитом,

= 0,04 (относительно 1), тогда

площадь, занятая перлитом,

= 0,96 относительно площади микрошлифа.

Содержание углерода определяют следующим образом:

0,04·6,67 % + 0,96·0,8 % = 1,1 %.

Влияние углерода на свойства стали в основном определяются свой-

ствами цементита и связано с изменением содержания основных структур-

ных составляющих – феррита и цементита. При увеличении углерода до 1,2

% (рис. 6.6

) возрастают прочность σ

, твердость HB, предел текучести σ

, при

этом снижаются вязкость KCU и характеристики пластичности – относи-

тельное удлинение (δ, %) и относительное сужение (ψ, %). Технологические

свойства, такие как деформируемость, свариваемость и др., зависят также от

содержания углерода. Хорошей свариваемостью и пластичностью отличают-

ся низкоуглеродистые стали. Хорошими режущими свойствами обладают

высокоуглеродистые стали.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -58-

а б

Рис. 6.5. Заэвтектоидная сталь, в структуре перлит и цементит: а – фотография микро-

структуры; б – схема зарисовки

Рис. 6.6. Зависимость механических свойств сталей

от химического состава и примерные марки сталей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ



Материаловедение. Лаб. практикум -59-

Каждый студент получает коллекцию микрошлифов углеродистых

сталей в равновесном отожженном состоянии, протравленных 4 %-м раство-

ром азотной кислоты в спирте.

В работе нужно:

1) изучить и зарисовать микроструктуру каждого микрошлифа;

2) определить структурные составляющие стали и их объемную долю;

3) рассчитать по объемной доле структурных составляющих процент-

ное содержание углерода в заданной стали.

Количество углерода определяют по формулам:

для доэвтектоидной стали, %, С

= f

·0,8 %;

для заэвтектоидной стали, %, С

= f

·0,8 % + f

·6,67 %,

где

– площадь, занятая цементитом; f

– площадь, занятая перлитом.

По найденному значению количества углерода и в соответствии с

табл. 6.1

, табл. 6.2, табл. 6.3 в каждом образце определяют марку стали.

Отчет по лабораторной работе должен включать:

1) зарисовки всех микрошлифов полученной коллекции;

2) название марки стали по рассчитанному количеству углерода для

всех образцов;

3) ответы на вопросы индивидуального задания.

1. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, построить кривую охлаждения и

описать процесс кристаллизации стали марки 20 из области жидкого состоя-

ния до комнатной температуры.

2. Привести классификации углеродистой стали по назначению и ка-

честву.

3. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, построить кривую охлаждения и

описать процесс кристаллизации стали марки У12 из области жидкого со-

стояния до комнатной температуры.

4. Привести классификацию и маркировку по ГОСТу углеродистых

конструкционных сталей. Дать их характеристику.

5. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, протекающие

в сплаве железа с 0,5 % С при медленном охлаждении от 1 600 °С до комнат-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -60-

ной температуры. Построить для данного сплава кривую охлаждения. Что

это за материал?

6. Привести классификацию и маркировку по ГОСТу углеродистых

инструментальных сталей. Дать их характеристику.

7. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, протекающие

в сплаве с 1,5 % С при медленном нагревании от 0 до 1 600 °С. Построить

для данного сплава кривую нагревания.

8. Указать структурные составляющие в сплавах с содержанием угле-

рода до 1,7 % при комнатной температуре и дать их характеристику.

9. Вычертить диаграмму состояния Fe–Fe

C, описать превращения,

происходящие в сплаве с 1,3 % С при медленном охлаждении от 1 600 °С до

комнатной температуры. Построить для данного сплава кривую охлаждения.

10. Полиморфизм железа. Привести кривые охлаждения и нагрева для

железа и дать характеристику всех модификаций железа.

11. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, протекаю-

щие в сплаве с 0,8 % С при медленном нагревании от 0 до 1 600 °С. Постро-

ить кривую нагрева для данного сплава. Что это за сплав?

12. Описать механизм и основные параметры процесса кристаллизации.

13. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при нагреве

и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 1,0 % С в интервале

температур от 0 до 1 600 °С.

14. Как изменяются структура, механические и технологические

свойства стали при увеличении количества углерода. Привести конкретные

примеры.

15. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при нагрева-

нии и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 0,6 % С в интерва-

ле температур от 0 до 1 600 °С.

16. Перечислить все структурные составляющие, встречающиеся в

сталях, и дать характеристику их свойств.

17. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, происходя-

щие в стали марки У8 при медленном ее охлаждении от 1 600 °С до комнат-

ной температуры. Построить для нее кривую охлаждения.

18. Указать структуру, маркировку и свойства углеродистых конст-

рукционных сталей. Привести примеры.

19. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, происходя-

щие в стали марки У10 при медленном ее нагревании от 0 до 1 600 °С. По-

строить для нее кривую нагрева.

20. Описать строение и дать характеристику свойств структурных со-

ставляющих стали: феррита, аустенита, перлита, цементита.

21. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 0,35 % С.

Что это за сплав?