Микроструктурный анализ углеродистых сталей и чугунов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Лабораторная работа №6,7

Тема: Микроструктурный анализ углеродистых сталей и чугунов

По дисциплине: Материаловедение

Выполнил: студент гр. ОНГ-14-2 /Жарников Н.Н./

Проверил: ассистент /Бочков В.С. /

Санкт-Петербург 2015

Лабораторная работ №6 Микроструктурный анализ углродистых сталей

Цель работы: Изучить теоретическую часть свойств сталей, научиться определять процентное содержания различных фаз (ферит, перлит, цементит), научиться определять марку стали и её свойства по составу различных фаз и содержанию углерода.

Краткие теоретические сведения

Сталью называют сплавы железа с углеродом, при содержании С до 2,14%, и другими легирующими элементами.

Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются. Углеродистые стали при комнатной температуре состоят из двух фаз - феррита и цементита, которые существуют в славах в виде 3-х структурных составляющих: феррита, перлита и вторичного цементита.

Углерод хорошо растворяется в жидком железе, образуя жидкий раствор (расплав). При содержании углерода в расплаве до 0,02% при охлаждении расплава до комнатной температуры весь содержащийся там углерод переходит в кристаллическую ОЦК решетку железа с образованием феррита (Ф) - твердого раствора внедрения углерода в б-железе. Сплавы со структурой феррита называются техническим железом (рис. 3).

Рис. 3 Структура технического железа, Х200

Структурно свободный феррит представляет собой зерна светлого цвета. Он мягок (~60НВ), обладает сравнительно низкой прочностью (у_Т~ 25МПа, у_В ~ 100МПа), пластичен (д ~ 40%, ш ~ 80%,), вязок (КСU ~ 2,5МДж/м²), ферромагнитен (до 768⁰С).

При содержании углерода в стали от 0,02 до 0,8% излишний, относительно феррита, углерод выделяется при охлаждении расплава в виде цементита (Ц)- химического соединения железа с углеродом (карбида железа Fe₃C), содержащего 6,67% С.

Цементит обладает очень высокой твердостью (>800НВ или >65НRC), царапает стекло, хрупок, имеет практически нулевую пластичность, ферромагнитен до 210⁰С.

Цементит в структуре сталей с таким содержанием углерода (0,02% ? С < 0,8%) существует в составе структурной составляющей перлита (П)- механической смеси феррита и цементита в соотношении 12 к 88, содержащей 0,8% С.

Перлит бывает двух видов:

- пластинчатый (рис. 4 а);

- зернистый (рис. 4 б).

Рис. 4 Структура зерен пластинчатого (а) и зернистого (б) перлита, Х1500 и Х500, соответственно

В условиях обычного охлаждения получается только пластинчатый перлит. Для получения зернистого перлита, сталь подвергают специальному виду термической обработки - сфероидизирующему отжигу.

Механические свойства перлита промежуточные между ферритом и цементитом и зависят от формы и степени измельчённости (дисперсности) частичек цементита: пластинчатый перлит более твердый (180-350НВ) и менее пластичный (д ~ 5-15%), чем зернистый (160-220НВ, д ~ 20%). При малом увеличении перлит фиксируется под микроскопом в виде зерен темного цвета.

Стали с содержанием углерода 0,02% ?С < 0,8% называются доэвтектоидными. Их структура представляет собой совокупность зерен феррита и перлита (рис. 5).

Рис. 5 Структура доэвтектоидной стали (0,02%?C<0,8%), Х100

С увеличением содержания углерода количество зерен феррита в структуре стали уменьшается, а зерен перлита - возрастает, что способствует увеличению прочностных свойств материала.

Зная процент перлита (П) в структуре доэвтектоидной стали можно примерно рассчитать содержание в ней углерода

При содержании углерода 0,8% железоуглеродистый сплав имеет чисто перлитную структуру и называется эвтектоидной сталью (рис. 6).

Рис. 6 Структура эвтектоидной стали (C=0,8%), Х500

При большем, чем 0,8% содержании углерода в сплаве, излишний относительно перлитного состава цементит образует в структуре сплава самостоятельную структурную составляющую (вторичный цементит (Ц_II) в виде сетки вокруг конгломератов зерен перлита. Чем больше углерода в сплаве, тем толще сетка вторичного цементита. Сплавы со структурой П + Ц_II (рис. 7) называются заэвтектоидными сталями.

Рис. 7 Структура заэвтектоидной стали (0,8%<C<2,14%), Х400

С увеличением содержания углерода в составе стали ее вязкость (КСU) и пластичность (д, ш) монотонно снижаются, а твердость (НВ) непрерывно возрастает. Прочность (у_Т, у_В) растет только до 1,0% С, а затем снижается, что обусловлено появлением сетки хрупкого вторичного цементита вокруг конгломератов зерен перлита, разрушающейся при нагружении (рис. 8).

Рис. 8 Зависимость механических свойств углеродистой стали от содержания углерода

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хрупкое состояние: каждые 0,1%С повышают температуру Т₅₀ полухрупкости на 20⁰С.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно холодном состоянии.

Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 - 0,4% С. Стали с меньшим содержанием углерода (низкоуглеродистые) при механической обработке дают сливную трудноудаляемую стружку и плохую поверхность. Высокоуглеродистые стали имеют высокую твердость, что требует специального инструмента для их обработки.

Практическая часть

Исходные данные:

Процентное содержание перлита в доэвтектоидной стали -15%

1) Для нахождения процентного содержания углерода в данной стали необходимо составить пропорцию:

100%П - 0,8%С

15%П - Х%С

Отсюда Х= (0,8*15)/100=0,12% С

Такому процентному содержанию углерода соответствует сталь марки Ст 3сп

Механические свойства данной стали:

· Твердость материала: HB 10 ^-1 = 116 Мпа

· ув(МПа)= 340-440

· Свариваемость материала: без ограничений.

· Флокеночувствительность: не чувствительна.

· Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.

Механические свойства данной стали совпадают с показаниями, приведёнными на рис.8

Таким образом, пронцентное содержание перлита в стали влияет на её прочностные характеристики: чем больше в стали перлита тем твёрже и прочнее сталь, в тоже время, меньше вязкость.

Лабораторная работа №2 Микроанализ чугунов

сталь чугун марка углерод

Цель работы: Изучить теоретическую часть фазовой составляющих чугуна, влияние каждой из них на физические и механические свойства чугуна, научиться определять тип чугуна по его структурной составляющей.

Теоретическая часть

Чугун - сплав железа с углеродом с содержанием С от 2,14% до 6,67%.

В отличие от стали чугуны заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, вследствие чего обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами.

В зависимости от формы существования углерода все чугуны разделяют на белые, у которых весь углерод находится в виде цементита, они имеют в изломе белый цвет, и серые, у которых практически весь углерод или его большая часть находится в форме графита.

Белые (передельные) чугуны. Выпускаются, в основном, как полуфабрикат для передела в сталь. Имеют пониженное содержание кремния (0,3-1,25%). Вследствие присутствия цементита хрупки, обладают высокой твердостью, не поддаются обработке резанием, поэтому как конструкционный материал практически не используются. По содержанию углерода и структуре разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Белые чугуны с содержанием углерода 2,14 % ? С< 4,3% называются доэвтектическими. Их структура - перлит (темные пятна на рис. 9), вторичный цементит (светлые прослойки вокруг пятен) и ледебурит (рябь).

Рис. 9 Структура доэвтектическихбелыхчугунов, Х300

Белый чугун с содержанием углерода 4,3% называется эвтектическим. Структура - ледебурит, состоящий при комнатной температуре из перлита и цементита (рис. 10).

Рис. 10 Структура эвтектического чугуна, Х500

Белые чугуны с содержанием углерода 4,3 % < С< 6,67% называются заэвтектическими. Структура при комнатной температуре - пластины светлого первичного цементита на фоне ледебурита (рис. 11).

Рис. 11 Структура заэвтектических чугунов, Х500

Для того, что бы в процессе охлаждения углерод выделялся в виде графита, а не цементита, т. е. образовывался серый, а не белый чугун, необходимо выполнение двух требований:

- медленная скорость охлаждения;

- наличие в сплаве достаточного количества кремния, как центров кристаллизации графита.

Основная масса графита в серых чугунах образуется при кристаллизации жидкости. Включения графита растут из одного центра в форме цветка (рис. 12, а), сечение лепестков которого в плоскости шлифа имеет вид пластин (рис. 12, б). Графит, выделяющийся при последующем охлаждении из аустенита и при эвтектоидном превращении, не образует самостоятельных включений, а наслаивается на включениях, ранее выделившихся из жидкости, увеличивая их размеры.

Рис. 12 Вид включений графита в серых чугунах (а), вид на шлифе (б)

Чугуны, у которых весь углерод сплава в процессе охлаждения перешел в графит, называются ферритными, так как структура этих сплавов представляет собой зерна феррита с включениями графита (рис. 13, а).

Чугуны, у которых часть аустенита при эвтектоидном превращении перекристаллизовалась в графит и феррит, а часть - в цементит и феррит (в совокупности в перлит), называются феррито-перлитными (рис. 13, б).

Чугуны, у которых весь аустенит при эвтектоидном превращении превратился в перлит, называются перлитными (рис. 13, в).

Рис. 13 Структура серых чугунов с ферритной (а), ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) металлической основой

Обычный серый чугун с пластинчатой формой графитовых включений маркируют буквами СЧ и цифрами, соответствующими пределу прочностиу_Вматериала на растяжение в кгс/мм² (СЧ15). Наименее прочные и наиболее дешевые ферритные и феррито-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15, СЧ18) используют для строительных колонн, фундаментных плит, малонагруженных деталей сельхозмашин (табл.1).

Более прочные перлитные чугуны (СЧ21, СЧ24) используют для изготовления станин станков и деталей металлургического оборудования.

Серые чугуны являются самым дешевым металлическим конструкционным материалом, они прекрасно обрабатываются резанием, обладают высокими антифрикционными свойствами. По сравнению со сталью имеют более высокую жидкотекучесть (в 2 раза) и малую усадку, высокие демпфирующие свойства и способность хорошо гасить вибрации и резонансные колебания. В то же время они очень хрупкие и не выдерживают ударных нагрузок. По этой причине серые чугуны широко используются в технике для изготовления деталей, которые работают в условиях сжатия без ударных нагрузок.

Для придания серым чугунам стойкости к ударным воздействиям изменяют форму графитовых включений с пластинчатой на шарообразную. Это достигается введением в расплав небольших количеств магния и церия.

Такой серый чугун с шараообразной формой графита называется высокопрочным. Графитовые включения округлой формы являются меньшими концентраторами напряжений. В результате прочность чугуна повышается (у_В до 1000МПа) и резко возрастают пластичность и вязкость (д до 15%, КСU до 0,2-0,3МДж/м²).

В зависимости от содержания в сплаве кремния, высокопрочный чугун также может иметь ферритную (рис. 14, а), ферритно-перлитную (рис. 14, б) и перлитную (рис. 14, в) металлическую основу.

Рис. 14 Структура высокопрочных чугунов с ферритной (а), ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) металлической основой

При получении тонкостенных отливок, способных выдерживать ударные нагрузки, очень трудно организовать их охлаждение с малой скоростью, необходимой для получения серого высокопрочного чугуна. Поэтому такие отливки получают, не контролируя скорость охлаждения, в результате чего они приобретают структуру белого чугуна. Затем эти отливки подвергают графитизирующему отжигу при температуре 950 - 1000°С в течении 10 часов. В результате отжига цементит белого чугуна распадается на металлическую ферритную или феррито-перлитную основу и графитовые включения, имеющие форму хлопьев. Такой серый чугун с хлопьевидной формой графитовых включений обладает стойкостью к ударному воздействию и называется ковким.

В зависимости от содержания кремния, ковкий чугун также может иметь ферритную (рис. 15, а), ферритно-перлитную (рис. 15, б) и перлитную (рис.15, в) металлическую основу.

Рис. 15 Структура ковких чугунов с ферритной (а), ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) металлической основой

Высокопрочный и ковкий чугун маркируют буквами ВЧ и КЧ и цифрами, первая группа которых соответствует значению предела прочностиу_В чугуна при растяжении в кгс/мм², а вторая - величине относительного удлинения д в %, например ВЧ50-7 илиКЧ80-1,5.

Основные марки серых (пластинчатых), высокопрочных и ковких чугунов, а так же их химический состав и механические свойства представлены в таблице.

Таблица

Химический состав и механические свойства чугунов

Другие виды чугунов.

Половинчатый - чугун, в котором основное количество углерода находится в виде цементита. Имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

С отбеленной поверхностью - чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой -- белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используются для деталей с высокой износостойкостью: - валков прокатных станов, мукомольных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием. Отбел может достигаться благодаря местному увеличению скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.

Практическая часть

По содержанию Si в чугунах можно определить такую последовательность: При уменьшении в составе Si прочностные характеристики чугунов растут (градация от Серых чугунов до Ковких чугунов) Кроме того, чугуны с наименьшим содержанием Si(высокопрочные, ковкие) начинают обладать свойством к удлинению.

Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием. Содержание графита в чугунах влияет на такие характеристики как: твёрдость - чем больше углерода, тем выше показатели твёрдости, в тоже время чугун становится более хрупким; чем графитовых включений меньше- тем выше прочность чугуна.

Вывод: Таким образом, в ходе выполнения лабораторной работы я Изучил теоретическую часть свойств сталей, научился определять процентное содержания различных фаз(ферит, перлит, цементит), научился определять марку стали и её свойства по составу различных фаз и содержанию углерода. Изучил теоретическую часть фазовой составляющих чугуна, влияние каждой из них на физические и механические свойства чугуна, научился определять тип чугуна по его структурной составляющей.

Размещено на Allbest.ru