При испытании на удар

Таблица 1 – Протокол испытаний металла на ударную вязкость

№ п/п	Материал образца	Вид термо-обработки	Размеры образца А×В, см	Площадь сечения, см^2	Запас энергии маятника, кгс∙м	Остаток энергии маятника, кгс∙м	Энергия разрушения образца, кгс∙м	Ударная вязкость, кгс∙м/см^2	Характер излома (хрупкий; вязкий).
1
2
3

Составление отчета

Отчет о проведенной работе должен содержать следующее:

1. Тему и цель работы.

2. Оборудование и материалы.

3. Вычерченную схему испытания на ударную вязкость и чертеж образца.

4. Порядок проведения испытания и заполненный протокол испытания на удар.

5. График зависимости ударной вязкости углеродистых сталей от содержания углерода.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

6. Что характеризует ударная вязкость материала?

7. В каких единицах измеряется ударная вязкость?

8. Как определяется работа, затраченная на разрушение образца ударом?

9. Как поступить если при ударе образец не разрушился?

10. Чугун или сталь обладает большей ударной вязкостью?

11. Как зависит ударная вязкость от содержания углерода в стали?

Лабораторная работа №3 Микроанализ железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в равновесном состоянии

Цель работы – научиться самостоятельно производить микроанализ железа, углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии.

Оборудование и материалы:

• металлографический микроскоп МИМ–7;

• набор микрошлифов железа, углеродистых сталей и белых чугунов;

• альбом с фотографиями микроструктур;

• циркуль, линейка, карандаш.

Общие сведения

Микроструктура технического железа и углеродистых сталей в равновесном состоянии

Сплавы с содержанием до 0,02 % С называются техническим железом, от 0,02 до 0,8% С – доэвтектоидными сталями и от 0,8 до 2,14% С – заэвтектоидными сталями. Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью.

Микроструктура технического железа

Растворимость углерода в α-железе переменная. С понижением температуры растворимость углерода в α-железе понижается. При 727° С в α-железе растворяется 0,02% С, а при комнатной температуре 0,006% С. Поэтому сплавы железа с содержанием до 0,006% С имеют только структуру феррита. На рисунке 1 дана микроструктура феррита. В сплавах с содержанием от 0,006 до 0,02% С в связи с понижением растворимости углерода в α-железе при понижении температуры из феррита выделяется цементит, называемый третичным. Третичный цементит выделяется по границам зерен феррита.

Рисунок 1 – Микроструктура технического железа

(феррит)

Микроструктура доэвтектоидной и эвтектоидной стали

Микроструктура доэвтектоидной стали (до 0,8% С) состоит из феррита и перлита. Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из одного перлита. Что же представляет собой вторая структурная составляющая доэвтектоидных сталей – перлит?

На рисунке 2 дана микроструктура перлита. Перлит (эвтектоид) – механическая смесь феррита и цементита, получающаяся в результате распада аустенита с 0,8% С. При травлении шлифа стали с 0,8% С, т. е. эвтектоидной стали, поверхность имеет перламутровый отлив, в связи с чем такую структуру и назвали перлитом. После травления 4%-ным раствором азотной кислотой в спирте на шлифе получается микрорельеф. Это объясняется тем, что феррит с меньшим электрохимическим потенциалом, чем цементит, более интенсивно растворяется в кислоте, а цементит слабее. Кроме того, интенсивно растравливаются границы между цементитом и ферритом. Поэтому падающий в микроскопе на микрошлиф свет будет давать тени от выступов (цементитных пластин) на углубленные места (феррит). На микроструктуре перлита общий светлый фон – феррит, выступающие пластины – цементит, темные места – тени. В зависимости от скорости охлаждения пластины цементита в перлите могут быть длиннее или короче и толще или тоньше.

а) б)

Рисунок 2 – Микроструктура эвтектоидной стали

(а – зернистый перлит; б – пластинчатый перлит)

В доэвтектоидной стали после травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит – в виде полей полосчатого строения, более темных, чем феррит. Чем больше увеличение при рассмотрении структуры в микроскоп, тем более отчетливо видно полосчатое строение перлита. При малых увеличениях перлит выявляется в виде темных зерен, и полосчатого строения не видно (рисунок 3).

Рисунок 3 – Микроструктура доэвтектоидной стали

(феррит + перлит)

Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается (рисунок 4).

Рисунок 4 – Микроструктура доэвтектоидной стали

(феррит + перлит)

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую ферритом и перлитом.

В связи с тем, что в феррите растворено очень небольшое количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите.

Тогда содержание углерода С в стали можно определить по формуле

%,

где Fn – площадь, занимаемая перлитом, %.

Микроструктура заэвтектоидной стали

Заэвтектоидная сталь имеет структуру, состоящую из перлита и цементита вторичного. Цементит вторичный выделяется из аустенита при охлаждении от температуры А_ст (линия SE) до температуры Аr₁ (линия PSK) (см. диаграмму состояния) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените.

При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется в виде сетки по границам зерен аустенита. При достижении температуры Аr₁ аустенит превращается в перлит. В результате медленного охлаждения заэвтектоидная сталь имеет структуру перлита и сетку цементита (рисунок 5), белая сетка – вторичный цементит, а внутри сетки зерна пластинчатого строения – перлит.

Рисунок 5 – Микроструктура заэвтектоидной стали

(цементит + перлит)

Вторичный цементит достаточно отчетливо выявляется при обычном травлении в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. В сталях, содержащих несколько меньше 0,8% С, феррит также может выделиться в виде сетки по границам зерен перлита; эта сетка при травлении этим реактивом также получается светлой. Если вызывает сомнение, является ли сталь доэвтектоидной или заэвтектоидной, т. е. является ли светлая сетка ферритной или цементитной, прибегают к контрольному травлению пикратом натрия. Для этого шлиф снова полируют и затем травят пикратом натрия. Пикрат натрия окрашивает цементит в темно-коричневый цвет. Поэтому, если сетка после травления пикратом натрия осталась светлой, значит это феррит и сталь доэвтектоидная; если сетка стала темной, значит это цементит и сталь заэвтектоидная.

Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка.

Примерное содержание углерода в заэвтектоидной стали можно определить по формуле:

%,

где Fn – площадь, занимаемая перлитом, %;

Fц – площадь, занимаемая цементитом, %.

Микроструктура белых чугунов

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, т. е. в виде цементита. Белый чугун в зависимости от содержания углерода разделяется на доэвтектический (от 2,14 до 4,3%С), эвтектический (4,3% С) и заэвтектический (от 4,3 до 6,67% С). Во всех белых чугунах имеется цементитная эвтектика (ледебурит).

Рисунок 6 – Микроструктура эвтектического белого чугуна

(ледебурит)

Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледебурита (цементитной эвтектики), образующегося при 1147 °С при эвтектической кристаллизации жидкого сплава с содержанием 4,3% С и состоящего (при 1147 °С) из эвтектического цементита и аустенита, содержащего 2,14% С (точка Е на диаграмме железо-цементит). При последующем охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE на диаграмме железо–цементит) из аустенита выделяется (как и в заэвтектоидных сталях) вторичный цементит. Вторичный цементит сливается с цементитом эвтектическим, поэтому в структуре эвтектики невозможно указать, где находится в отдельности эвтектический цементит и вторичный цементит.

При 727 °С эвтектика состоит из цементита (эвтектического и вторичного) и аустенита с содержанием 0,8% С. При этой температуре аустенит превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебурит (цементитная эвтектика) состоит из цементита и перлита (рисунок 6).

Доэвтектический белый чугун после полного охлаждения имеет следующую структуру: ледебурит (цементитная эвтектика + перлит) + вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется из аустенита, содержащего при 1147 °С – 2,14% С, а при 727 °С – 0,8%  С.

В белых чугунах с низким содержанием углерода (близким к 2,14%) вторичный цементит выявляется достаточно отчетливо, так как в таких чугунах мало ледебурита. С увеличением содержания углерода, когда ледебурита становится относительно много, вторичный цементит в структуре сливается с цементитом ледебурита (эвтектическим). Можно считать, что структура таких доэвтектических белых чугунов состоит из ледебурита (цементитной эвтектики) и перлита. На рисунке 7 дана микроструктура доэвтектического белого чугуна.

Рисунок 7 – Микроструктура доэвтектического белого чугуна

(перлит + ледебурит + цементит_II)

Микроструктура заэвтектического белого чугуна состоит из ледебурита (цементитной эвтектики) и первичного цементита (рисунок 8).

Рисунок 8 – Микроструктура заэвтектического белого чугуна

(цементит_I + ледебурит)

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство и принцип работы металлографического микроскопа МИМ–7.

2. Изучить методику приготовления микрошлифов, и состав травителей.

3. Просмотреть и изучить при увеличениях от 200 до 600 раз микроструктуры технического железа, углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии.

4. По структуре определить примерное содержание углерода в стали (ее марку):

% – для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей.

% – для заэвтектоидных сталей.

где Fn – площадь, занимаемая перлитом, %;

Fц – площадь, занимаемая цементитом, %.

5. Сравнить наблюдаемые микроструктуры с фотографиями микроструктур в альбоме с целью проверки правильности определения марки сталей.

6. Зарисовать микроструктуры в кругах диаметром ~40 мм или в квадратах размером – 40×40 мм, с обозначением структурных составляющих, охарактеризовать структуру, определить марку стали.

7. Заполнить таблицу.

№	Рисунок микроструктуры	Характеристика микроструктуры	Содержание углерода, %	Марка стали
1		Доэвтектоидная сталь ~10 % перлита	С = 10/100∙0,8 = = 0,08%	Сталь 10
2
…

Составление отчета

Отчет о проведенной работе должен содержать следующее:

1. Тему и цель работы.

2. Оборудование и материалы.

3. Заполненную таблицу с рисунками микроструктур и соответствующими пояснениями.

4. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Назовите составляющие микроструктуры эвтектоидной, доэвтектоидной и заэвтектоидной стали.

2. Назовите составляющие микроструктуры эвтектического, доэвтектического и заэвтектического белого чугуна.

3. Из предложенных фотографий микроструктур выберите микроструктуру сталей 20, 45, У8, У10.

4. Какая из этих сталей более прочная, какая более пластичная, а какая будет лучше свариваться?