МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова»

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова»)

Лабораторная работа №2

По материаловедению.

«Изучение микроструктуры и свойств отожженных углеродистых сталей и чугунов.»

Выполнил:

Студент группы Б03-721-2зт Созонов К.А.

Проверил : Воробьев В.Л.

Ижевск, 2015

Изучение микроструктуры и свойств отожженных углеродистых сталей и чугунов.

Цель работы.

Практическое закрепление знаний диаграммы состояния систем железо-углерод на примере конкретных промышленных сплавов.

Изучение взаимодействие содержания углерода, микроструктуры и свойств отожженных углеродистых сталей.

Изучение микроструктуры и свойств чугунов в зависимости от содержания углерода и способов получения.

Ход работы

Метод исследования микроструктуры сплавов на металлографическом микроскопа (модели МИМ-7). При анализе микроструктуры сплавов могут возникнуть трудности из-за недопонимания механизма формировании изображения в оптическом микроскопе, нечеткого представления о фазовых и структурных составляющих сплавов.

Фазовая- это однородная часть сплава, имеющая одно и то же агрегатное состояние( в твердом состоянии характеризуется одним типом кристаллической решетки, например, ОЦК, ГЦК или др.), одинаковый химический состав и свойства.

В сплавах одна фаза отделяется от другой фазы поверхностью раздела. На протравленном шлифе поверхность раздела выглядит тонкой извилистой линией- межфазной границей.

Если сплав состоит только из одной фазы, то имеем однородную фазу(гомогенную) структуру. На шлифе видно множество однородных зерен, как на пример, в чистом электролитическом виде.

Если сплав состоит из нескольких фаз, то его структура неоднородная (гетерогенная).

Микроструктура- это строение сплава, наблюдаемое под микроскопом.

Диаграмма состояния системы железо-углерод

На диаграмме Рис. 1а намечены две системы:

• Система железо-цемент- сплошные линии

• Система железо-графит – пунктирные линии

Такое существование двух диаграмм в районе температур и концентраций возможно потому, что углерод в сплавах с железом может кристаллизоваться в зависимости от скорости охлаждения в структурно-свободном виде (графит) или в связанном состоянии в виде карбида железа (цементит). Диаграмма железо- графит является стабильной, а железо- цементит – метастабильной.

Рис. 1

Рис.2

При практических скоростях охлаждения углерод в сплавах находится в виде цементита, по этому наибольшее распространение имеет диаграмма железо-цементит. Она является основной для определения структурных составляющих сплавов в равновесном состоянии (Рис.2).

Краткие характеристики фазовых и структурных составляющих.

Феррит - твердый раствор внедрений углерода в альфа железе. Кристаллическая решетка феррита- ОЦК. максимальная растворимость углерода в феррите 0,02% (т.Р) при 727˚С.

Перлит содержит 0,87% С и образуется в результате распада аустенита при 727˚С эвтектоидной реакции.

Fe_γ(C) → Fe_α (C) + Fe₃C

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в железе. Кристаллическая решетка аустенита – ГЦК. максимальная растворимость углерода в аустените 2,14% (т.Е) при 1147˚С. Аустенит находится в структуре сплавов только при температуре 727˚С как в виде отдельных зерен, так и в составе эвтектики- ледебурита.

Ледебурит – это механическая смесь, содержащая 4,3% С и образующая из жидкости при 1147˚С по эвтектической реакции.

Ж→ Fe_γ(C)+ Fe₃C

При температурах от 1147˚С до 727˚С ледебурит состоит: из аустенита и цементита, а иже 727˚С – из перлита и цементита.

Цементит – химические соединение Fe,C. Содержание углерода в цементите – 6,67%, железа – 93,33%. Кристаллическая решетка цементита сложная ромбическая.

Как самостоятельная структура цементит встречается:

1. В белых чугунах.

2. В белых заэвтектических чугунах.

3. В малоуглеродистых сталях и техническом железе.

Графит – структурно свободный углерод, имеет гексогональную кристаллическую решетку. Он образуется при очень медленном охлаждении непосредственно из жидкого раствора или во время превращений, а так же в результате распада цементита.

Таким образом, в желелезо-углеродных сплавах фазовые составляющие- жидкость, аустенит, феррит, цементит, графит;

Структурные составляющие – аустенит, феррит, цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный, перлит, ледебурит, графит пластичный, графит шаровидный, графит хлопьевидный.

Структура и свойства сталей.

К сталям относятся сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 2,14%.

Фазовые составляющие сталей при нормальной температуре- феррит, цементит.

Количество цемента, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода увеличивается прочность и твердость, но снижается пластичность и вязкость стали.

Рис.3

Основная структурная составляющая сталей – перлит. Количество перлита в структуре сталей возрастает по мере повышения содержания углерода и при концентрации углерода 0,83% (эвтектоидная сталь) составляет 100% ( рис. 14).

В доэвтектойдных сталях второй структурной составляющей является феррит – светлые зерна на шлейфе. В заэвтектойдных сталях вторая структурная составляющая – цементит вторичный, располагается в виде светлой сетки по границам зерен, способствует снижению прочности стали.

Рис.4 влияние углерода на механические свойства сталей

Увеличение содержание углерода повышает порог хладоломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние.

С увеличением содержанием содержания углерода снижаются технологические свойства стали: свариваемость, деформируемость в горячем и особенно в холодном состоянии.

Рис.5 влияние углерода на хладоломкость стали

Структуры и свойства чугунов.

Чугунами называются сплавы с содержанием углерода более 2,14%

Белые чугуны

В соответствии с метастабильной диаграммой состояния железо- цементит. Углерод в сплавах находится в связанном состоянии и, следовательно, структуры чугунов (как и сталей) при нормальной температуре состоит из двух фаз- феррит и перлит.

Белый чугун назвали по виду излома, который имеет матово белый цвет.

По структуре белый чугуны могут быть доэвтектическими (от 2,14 до 4,3%С), эвтектический (4,3%С) и заэвтектическими (от 4,3 до 6,67% С).

Характерной структурой составляющей белых чугунов является ледебурит, который часто имеет «сотовой» строение. Темные участки в ледебурите – перлит, а светлые – цементит.

Макроструктура белого эвтектического чугуна состоит из 100% ледебурита.

В структуре белых доэвтектических чугунов перлит занимает больше участки, выглядят темными; цементит вторичный находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита.

Структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из цементита первичного и ледебурита. Крупные светлые иглы на шлифе- цементит первичный. Участки с точечными темными вкраплениях- ледебурит.

Рис.6

Белый чугун в следствии большого содержания в структуре цементита обладает очень высокой твердостью (HB4500- 5500 МПа) хрупкостью в практически не поддающейся обработке режущими инструментами.

В виде отливок белые чугуны применяют редко, лишь в случаях, когда отливают массивные изделия из дешевого материала с большой поверхностной твердостью (вагонные колеса, валки для станов холодной прокатки, штампы).

Серые чугуны.

Серыми называют чугуны с пластичной формой графита. Структура чугунов формируется не посредственно при отливке.

В серых чугунах кроме железа и углерода содержится кремний (1,2- 2,6%), который способствует графитизации, т.е. выделению графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделявшегося цементита; марганец (0,5 – 1,1%), нейтрализующий вредное воздействие серы, измельчающий графитное выделения.

Основные факторы влияющие на структуру серых чугунов:

1. Характер жидкого состояния, определяемый температурной и временем выдержки расплавленного чугуна перед разливкой.

2. Химический состав.

3. Скорость охлаждения.

Структурная диаграмма чугунов, показывающие влияние на структуру химического состава чугуна (суммарное содержание углерода и кремния ) и скорость охлаждения (или толщины стенок отливки), представлены на рис. 7

Рис.7

Схематично структура серых чугунов представлена на рис. 8.

Рис. 8

Пластичная форма графитных включений не является благоприятной в отношении механических свойств, поскольку такие включения действуют как надрезы, трещины – концентраторы напряжений. По этой причине серые чугуны плохо сопротивляются растяжению, имеют низкую пластичность.

Серые чугуны целесообразно использовать для деталей, работающих на сжатие.

Для снижения внутренних напряжений, улучшения механических свойств, повышения износостойкости отливки из серых чугунов подвергают термической обработке.