ВИВЧЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВ

 

Мета роботи - вивчити залежність між складом, стpуктуpою і властивостями залізовуглецевих сплавів; усвідомити різницю між залізом, сталлю та чавуном; засвоїти методику вивчення мікроструктури сталі й чавуну; здобути навички роботи з мікроскопом.

 

3.1. Устаткування, прилади, матеріали

 

1. Шліфувально - полірувальний верстат.

2. Металогpафічні мікроскопи МИМ6, МИМ7 і ММР - 2.

3. Твеpдоміp Роквелла.

4. Наконечники з діамантовим конусом і сталевою кулькою.

5. Ексикатоp.

6. Мікpошліфи вуглецевих сталей.

7. Паста “ГОИ”.

8. Керосин освітлювальний.

9. Реактиви для травлення мікpошліфів.

 

3.2. Основні теоретичні положення

 

Сплави на основі заліза прийнято називати чорними металами, які складають основу металевих виробів. Найбільш поширені залізовуглецеві сплави. Залежно від вмісту вуглецю їх називають залізом, сталями і чавунами.

Сплави зі вмістом вуглецю до 0, 02% прийнято називати залізом, від 0, 02 до 2, 1% відносять до сталей, а понад 2, 14% - до чавунів.

Сталі поділяються на доевтектоїдні, евтектоїдні й заевтектоїдні, а чавуни - на білі та сірі.

Основою для визначення фаз і структурних складових залізовуглецевих сплавів є діаграма стану " залізо-вуглець" (рис. 3.1). Утворення фаз та структур можна визначити за діаграмою стану при повільному охолодженні досліджуваного сплаву.

У системі " залізо-вуглець" утворюються однофазні й двохфазні структурні складові.

До однофазних належать:

феpит (майже чисте залізо) - твердий розчин вуглецю в альфа-залізі. Кристалічна гратка феpиту - об`ємноцентрований куб. Максимальна розчинність вуглецю в альфа-залізі біля 0, 006% пpи t=20⁰ C і біля 0, 02%-пpи

Рис.3.1. Діаграма стану сплавів " залізо-вуглець"

 

t=727⁰ C. Він дуже пластичний, м'який (HВ=700-800 МПа), магнітний, має зернисту будову;

аустеніт - твердий розчин вуглецю в гама-залізі. Кристалічна ґратка - гранецентрований куб. Максимальна розчинність вуглецю в гама-залізі 0, 8% при t=727⁰ C і 2, 14%, при t=1147⁰ C. Аустеніт немагнітний, пластичний, має в порівнянні з феритом більшу питому вагу (приблизно на 1%);

цементит (карбід заліза) - хімічна сполука, вміщує 6, 67% вуглецю. Дуже твердий (HВ> 8000 МПа), крихкий, має ромбічну кристалічну ґратку;

графіт - вуглець у вільному стані, має гексагональну кристалічну ґратку, м’який, мало міцний, хімічно стійкий, електропровідний.

До двохфазних стpуктуpних складових належать:

перліт - евтектоїдна суміш часток фериту і цементиту, що чергуються і пов'язані між собою. Вміщує 0, 8% вуглецю й утворюється при t< 727⁰ C з аустеніту. Залежно від форми частинок цементит буває пластинчастим або зернистим. Має невисоку твердість (HВ=2000 МПа);

ледебурит - евтектична суміш, яка вміщує 4, 3% вуглецю, утворюється з рідкого розплаву пpи температурі нижче від 1147⁰ С. Ледебурит при t > 727⁰ C складається з аустеніту і цементиту, а нижче 727⁰ С - із перліту й цементиту.

Розглянемо структуру залізовуглецевих сплавів при кімнатній температурі (рис. 3.2.). Залізо складається з фериту і третинного цементиту, розміщеного тонкими прошарками по межах зерен, що знижує пластичність.

Рис.3.2. Структура відпаленої сталі:

а - технічне залізо; б - сталь 20; в - сталь 40; г - сталь У8; д - сталь У12;

е - сталь У12 із зернистим цементитом

 

Доевтектоїдні сталі вміщують вуглецю менше ніж 0, 8%, мають стpуктуpу фериту і перліту. При розгляді під мікроскопом перліт має вигляд темних включень, тому що він травиться інтенсивніше за ферит. Будову самого перліту можна спостерігати лише при збільшенні у 500 разів.

За мікроструктурою достатньо точно можна визначити вміст вуглецю в доевтектоїдній вуглецевій сталі у відпаленому стані. Якщо умовно прийняти ферит за чисте залізо, то можна вважати, що весь вуглець знаходиться в перліті. Тоді для сталі, на мікрошліфі якої 60% площі зайняте перлітом, вміст вуглецю дорівнює

C=(60´ 0, 80)/100=0, 48%.

Необхідно відмітити, що більшість конструкційних сталей - доевтектоїдні.

Евтектоїдна сталь вміщує 0, 8% вуглецю. Її структура складається з одного евтектоїду - перліту. При розгляді такої сталі під мікроскопом усе поле шліфа буде заповнене перлітом (темні зерна).

Заевтектоїдні сталі вміщують більше ніж 0, 8% вуглецю. Структура таких сталей складається з перліту і вторинного цементиту, який може розміщуватись у вигляді сітки зерен або голок.

Білі чавуни(рис. 3.3.). У білому чавуні весь вуглець знаходиться у вигляді цементиту, тому такий чавун дуже твердий і крихкий. Білі чавуни можуть бути доевтектичними (С< 4, 3%), евтектичними (C=4, 3%), заевтектичними (С> 4, 3%). Доевтектичний чавун складається з перліту, вторинного цементиту та ледебуриту. На шліфі перліт має вигляд темних ділянок, ледебурит - світлих ділянок із темними точковими включеннями перліту, вторинний цементит - світлих включень і голок, що зливаються іноді з цементитом ледебуриту.

Рис.3.3. Структура білих чавунів:

а - доевтектичного; б - евтектичного; в - заевтектичного

 

Евтектичний чавун цілком складається з ледебуриту, а заевтектичний має в структурі крупні мечоподібні кристали первинного цементиту й ледебурит. Одержанню структури білого чавуну сприяють швидке охолодження при виливанні, зниження вмісту вуглецю та наявність у чавуні елементів Mn, W, Mо, Cr, V.

Сірі чавуни, як і білі, утворюються при виливку, але при повільному охолодженні. У цьому випадку цементит розпадається з утворенням графіту у вигляді тонких вигнутих платівок. Графітизації сприяють збільшення вмісту вуглецю, а також такі елементи, як Si, Al, Ni, Cu. Зі ступенем графітизації розрізняють перлітний, перлітно-феритний і феритний чавуни, металева основа яких складається відповідно з перліту, суміші перліту та фериту або фериту.

Механічні властивості сірого чавуну залежать як від структури його металевої основи, так і від форми включень графіту, причому останній фактор робить більш значний вплив. Залежно від виду включень графіту чавуни розподіляються на сірі, ковкі і високоміцні.

У сірому чавуні (рис. 3.4.) графіт знаходиться у вигляді завихрень тонких платівок, які порушують суцільність металевої основи, створюють численні надрізи і тому зменшують міцність сплаву, роблять його крихким, але малочутливим до зовнішніх надрізів.

Ковкий чавун одержують із білого тривалим відпалом при високих температурах і наступним повільним охолодженням. При цьому включення графіту стають більш дрібними і компактними (у вигляді пластівців), менше роз’єднують металеву основу, завдяки чому поліпшуються властивості чавуну.

У високоміцному чавуні включення графіту мають кулькоподібну форму. Для одержання такої стpуктуpи рідкий чавун перед розливанням піддається модифікуванню магнієм. Структура високоміцного чавуну складається з перліту, округлого графіту, навколо якого розміщуються прошарки фериту. За властивостями цей чавун наближається до сталей.

 

Рис.3.4. Структура графітизованих чавунів:

а - сірих; б - ковких; в - високоміцних;

1 - шліфи не травлені, 2 - феритна основа,

3 - перлітна основа

 

 

3.3. Питання для самоперевірки

 

1. Які залізовуглецеві сплави прийнято називати залізом, сталлю і чавуном?

2. Які структурні складові зустрічаються в залізовуглецевих сплавах?

3. Чим відрізняється аустеніт від фериту?

4. Які властивості має цементит? Що таке первинний, вторинний і третинний цементит?

5. Чим відрізняється евтектика (ледебурит) від евтектоїду (перліт)?

6. На які групи розподіляються вуглецеві сталі за вмістом вуглецю?

7. У чому різниця між білими та сірими чавунами?

8. Чим відрізняються сірі, ковкі і високоміцні чавуни?

9. Як відрізнити за мікроаналізом перліт, ферит та цементит?

10. Як визначити вміст вуглецю у вуглецевій доевтектоїдній відпаленій сталі за її мікроструктурою?

 

3.4. Порядок виконання роботи

 

Користуючись діаграмою " залізо - вуглець", визначте, які фазові перетворення виникнуть у залізовуглецевих сплавах із різним вмістом вуглецю при нагріванні й охолодженні.

Ознайомитися під керівництвом викладача з методикою приготування мікрошліфів.

Ознайомитися з будовою металографічних мікроскопів МИМ6 і МИМ7 та роботою на них.

Вивчити за допомогою мікроскопа і замалювати мікроструктуру відпалених конструкційних сталей із вмістом вуглецю 0, 20, 0, 45, 0, 8, 1, 2%.

За відносною кількістю перліту в одній з доевтектоїдних сталей визначити вміст вуглецю.

Вивчити за допомогою мікроскопа й замалювати структуру білого, сірого, ковкого і високоміцного чавунів.

На твеpдоміpі Роквелла визначити твердість сталі, білого та сірого чавунів.

 

3.5. Оформлення звіту з лабораторної роботи

 

У звіті про дану роботу необхідно: викласти мету роботи; подати діаграму стану " залізо - вуглець"; назвати й охаpактеpизувати структурні складові, які зустрічаються в залізовуглецевих сплавах, відзначити місцезнаходження їх існування на діаграмі стану; навести класифікацію залізовуглецевих сплавів залежно від вмісту вуглецю; зробити зарисовки структур заліза, сталей і чавунів, зазначити твердість однієї зі сталей, білого і сірого чавуну; виконати розрахунки по визначенню вмісту вуглецю в доевтектоїдній сталі; обговорити отримані результати та зробити потрібні висновки.

[1, c. 71-80, 88-90, 94-106; 2, c. 25-53, 104-118; 3, c. 43-65, 92-100].

 

Лабораторна робота 4