2628

Порядок выполнения работы

1.Вычертить диаграмму железо – углерод с буквенными обозначениями линий ликвидус, солидус, перитектических, эвтектических , эвтектоидных првевращений , PQ, PG, GS, SE. Используя диаграмму, для заданного сплава постройте кривую охлаждения (нагрева) и опишите превращения в соответствии с полученными критическими точками

итемпературами.

2.Охарактеризуйте сплав: сталь доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная, чугун доэвтектический, эвтектический и заэвтектический.

3.По заданной температуре определите химический состав фаз данного сплава и соотношение фаз.

Содержание отчета

В отчете указать цель работы, привести диаграмму Fe – Fe3C, кривую охлаждения (нагрева) сплава с критическими температурами, описать превращения в критических точках и определить соотношения фаз при заданной температуре. Указать примерное назначение сплава и способ получения изделия.

Контрольные вопросы

1.Что такое диаграмма состояния сплавов?

2.Что позволяет определить диаграмма состояния?

3.Как строится диаграмма?

4.Что такое критические точки?

5.Какие линии диаграммы называются ликвидус и солидус?

6.Какие линии диаграммы называются линиями эвтектических и эвтектоидных превращений?

7.Как обозначается точка полиморфного превращения γ-железа в β-железо, на какой вертикали диаграммы она находится?

8.Отличаются ли по фазовому составу стали доэвтектоидные, эвтектоидная и заэвтектоидные при нормальной температуре?

9.Какой белый чугун (доэвтектический, эвтектический, заэвтектический) тверже и почему?

10.Назовите самый легкоплавкий сплав изучаемой системы.

Лабораторная работа № 3

МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: освоение техники изготовления микрошлифов; изучение устройства металлографического микроскопа, приобретение навыков работы с ним; изучение особенностей микроструктуры углеродистых сталей различного назначения.

11

Оборудование, образцы, реактивы: металлографический микроскоп, набор учебных микрошлифов сплавов, шлифовальный и полировальный станки, реактивы для травления (5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте), лабораторная посуда, вата, фильтровальная бумага, щипцы.

Основные теоретические сведения

Микроскопический анализ (микроанализ) – основной метод исследования структуры металлов при просмотре очень малых участков поверхностей образцов, специально подготовленных к исследованиям при больших (от 50 до 2000 раз) увеличениях с помощью микроскопа. Поверхность образца, подготовленная для исследования, называется микрошлифом. Наблюдаемая структура называется микроструктурой. Оптический микроскоп позволяет различать частицы размером не менее 0,2 мкм, а электронный − не менее0,01 мкм.

Микроанализ с применением оптического микроскопа позволяет определить: форму и размеры кристаллитов, из которых состоит сплав; структуру металла и сплава; микропороки: микротрещины, раковины и др.; наличие, размеры и характер распределения неметаллических включений: сульфидов, оксидов, силикатов, частицграфита.

Рис. 1. Оптическая схема металлографического микроскопа:

1 − источник света; 2 − призмы; 3 − объектив; 4 − микрошлиф; 5 − столик; 6 − окуляр

Микроскоп имеет две линзы (рис. 1). Линза, обращенная к рассматриваемой поверхности микрошлифа, называется объективом, линза, обращенная к глазу, - окуляром. Увеличение микроскопа (Vм) равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром в отдельности. Увеличение окуляра меньше, чем объектива.

Vм = Vоб·Vок.

На зеркальной поверхности нетравленого микрошлифа (после шлифования, полирования) можно наблюдать только микротрещины, микропоры и неметаллические включения. Форма, количество и характер распределения микродефектов влияют на свойства сплавов (рис. 2).

12

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктура доэвтектоидных сталей: а – сталь 10; б – сталь 40; в – сталь 60

Травление шлифа производится слабыми растворами кислот в спирте. Продолжительность травления зависит от вида и структурного состояния металла и колеблется в пределах от нескольких секунд, реже – десяти секунд. Признаком протравления служит потускнение поверхности шлифа. Травлением создается микрорельеф: поверхность шлифа становится шероховатой. Растворимость отдельных элементов структуры (зерен, их границ) в реактиве различна, поэтому одни участки шлифа становятся более шероховатыми, чем другие, и по-разному отражают световые лучи. Границы зерен наблюдаются в виде черных линий, так как они протравливаются интенсивнее и практически не отражают света, а рассеивают его. Слабо травленые участки отражают больше лучей света в поле зрения микроскопа и будут светлыми. Разница состояний просматриваемых после травления поверхностей и определяет особенности микроструктур сплавов (рис. 2).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с особенностями микроскопического анализа, методикой приготовления микрошлифов, устройством микроскопа.

2.Подготовить микрошлиф шлифованием и полированием одной поверхности образца. Шлифование производят металлографической бумагой с крупным и мелким зерном (60…240). Смыть частицы абразива водой и полировать пастой ГОИ. После достижения зеркального блеска, поверхность шлифа промывают водой, обрабатывают спиртом и просушивают фильтровальной бумагой.

3.Протравить микрошлиф в специальном реактиве. Травление проводить несколько секунд погружением образца полированной поверхностью вверх в раствор или травитель наносят на полированную поверхность пипеткой. Затем поверхность промыть водой, спиртом и просушить фильтровальной бумагой.

4.Изучить оптическую схему микроскопа, настроить на заданное увеличение (100…500) и отрегулировать контрастность изображения. Зарисовать и описать состояние поверхности до и после травления однофазного и двухфазного сплавов.

13

Содержание отчета

Отчет должен включать в себя название и цель работы; назначение микроанализа; порядок приготовления микрошлифа; изображение принципиальной схемы микроскопа и краткое его описание; зарисовки схем микроструктур подготовленного образца после травления. Вывод по работе должен отражать, как изменяется микроструктура и свойства сталей в зависимости от содержания углерода.

Контрольные вопросы

1.Что такое микроанализ?

2.Что можно определить микроскопическим анализом?

3.Что такое микрошлиф и способы его приготовления?

4.Как выполняется шлифование и полирование поверхностей?

5.Для чего производится травление микрошлифов?

6.В чем заключаются принцип действия и настройка металломикроскопа?

7.Как определить увеличение микроскопа?

8.Поясните порядок проведения работ на микроскопе.

Лабораторная работа № 4

МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с особенностями микроструктуры и основными техническими характеристиками легированных сталей и сплавов различного назначения.

Оборудование и материалы: металлографический микроскоп, наборы микрошлифов легированных сталей различного назначения, диаграммы состояния сплавов с открытой и замкнутой γ-областью.

Основные теоретические сведения

Легированная сталь помимо обычных примесей содержит и другие (легирующие) элементы, либо Si и Mn в повышенном против обычного количестве. При суммарном содержании легирующих элементов до 2% сталь является низколегированной, от 2 до 10% − среднелегированной, более 10% − высоколегированной. В качестве легирующих элементов наибольшее применение получили Cr, Ni, Mo, W, V, Mn, Ti. Сталь может быть легирована одним, двумя, несколькими элементами. Соответственно легированные стали называются хромистой, хромоникелевой и т. д.

По структуре легированные стали делятся на пять классов: перлитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.

14

Кперлитному классу относятся низколегированные стали, в которых после нормализации образуется перлитная (сорбитная, трооститная) структура. К мартенситному − среднелегированные стали, наличие легирующих элементов в которых обеспечивает образование мартенситной структуры.

Каустенитному − высоколегированные стали, в которых при нормализации не происходит превращение аустенита, и он полностью сохраняется в стали при комнатной температуре.

Кферритным − стали, легированные значительным количеством элементов,

расширяющих область α-твердого раствора (феррита). Такие стали не испытывают аллотропических превращений и при любых температурах находятся в состоянии α- твердого раствора.

К карбидному классу относятся в основном инструментальные стали с большим содержанием карбидообразующих элементов (Cr, W, Mo, Ti). Структура сталей этого класса состоит из перлитной, мартенситной или аустенитной основы и большого количества карбидов.

Основные структурные составляющие легированных сталей − легированный феррит, легированный аустенит, легированный цементит и специальные карбиды.

Легированный феррит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в α-железе (феррите) и отличается от обычного феррита тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами легирующего элемента. Под микроскопом легированный феррит ничем не отличается от феррита углеродистой стали.

Легированный аустенит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в γ-железе. Он наблюдается под микроскопом в виде однородных зерен, часто с наличием линии сдвига или двойников.

Легированный цементит представляет собой раствор легирующих элементов в карбиде железа Fе3С и отличается от цементита железа углеродистых сталей тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами карбидообразующих легирующих элементов. Под микроскопом легированный цементит ничем не отличается от обычного цементита углеродистых сталей.

Специальные карбиды − соединения легирующих элементов с углеродом. Они отличаются высокой твердостью и обычно большей, чем цементит, дисперсностью. Различают две группы карбидов: имеющие сложную кристаллическую решетку (Cr23C6, Cr3C7, Fe2W2C7) и имеющие простую кристаллическую решетку (W2C, WC, Mo2C, VC, TiC). Под микроскопом специальные карбиды трудно отличить от цементита. Для выявления состава карбида применяются специальные реактивы и методы травления. Некоторые специальные карбиды имеют специфическую форму, например, карбид титана имеет форму кубиков.

15

Конструкционные стали

Строительные стали (09Г2, 17ГС). Термической обработке их не подвергают. Структура их − легированный феррит и перлит.

Машиностроительные стали делятся на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые стали после отжига имеют в структуре легированный феррит и перлит, а некоторые и мартенсит (20Х, I2XH3A и др.). После цементации, закалки и низкого отпуска в структуре поверхностного слоя образуется мелкоигольчатый мартенсит (могут быть карбидные включения). Структура сердцевины при сплошной прокаливаемости – малоуглеродистый мартенсит и феррит легированные.

Улучшаемые стали (40Х, 45ХГ, 38ХМЮА) после отжига при температуре 860 °С состоят из перлита и феррита легированного, т. е. металлографически не отличаются от структуры углеродистой стали. Эта сталь подвергается объемной закалке с 860 °С в масле и последующему отпуску при 520 °С. Структура стали – сорбит легированный, сохранивший ориентировку мартенсита.

Пружинно-рессорные стали (65Г, 50С2, 55СГ) подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита (троостит легированный).

Подшипниковые стали (ШХ9, ШХ15) подвергаются неполной закалке с низким отпуском. Получается структура мартенсита легированного с мелкими карбидами. Стали с такой структурой обладают высокой износостойкостью и пределом выносливости.

Высокомарганцовистые износостойкие стали аустенитного класса (Г1З, 110Г1ЗЛ).

Сталь имеет структуру легированного аустенита с избыточными карбидами (Fе, Mg3)С. После литья детали закаливают нагревом до 1000−1100 °C с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Закаленная сталь обладает твердостью НВ 2000. Твердость стали повышается после сильного наклепа, т. к. в условиях ударного воздействия в поверхностном слое стали образуется большое количество дефектов кристаллического строения (дислокации, дефекты упаковки). В результате твердость поверхности повышается до НВ 6000 и сталь становится износостойкой. Применяют для крестовин железнодорожных и трамвайных путей, зубьев ковшей экскаваторов, для щек дробилок.

Инструментальные стали

Стали для штампов и других инструментов холодной обработки металлов давлением должны обладать высокой твердостью, сочетающейся с удовлетворительной вязкостью. Данным требованиям удовлетворяют стали Х12, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ и др. Более высокой теплостойкостью должны обладать стали для штампов горячей обработки металлов давлением. В этом случае применяют стали 5ХНМ, 5ХНВ, 3Х2В8Ф и другие с твердостью после термической обработки 35−45 HRC, структура – троостит легированный.

Низколегированные инструментальные стали (Х9, ХВГ, X, 9ХС) после неполной закалки и низкого отпуска состоят из мартенсита отпуска легированного и легированного цементита.

16

Быстрорежущая сталь (Р9, P18) в равновесном состоянии относится к ледебуритному классу. Структура такой стали после литья будет состоять из перлита, ледебурита и вторичных карбидов. Для разрушения ледебуритной эвтектики и равномерного распределения карбидов, а также для подготовки структуры к последующей термической обработке эта сталь после литья подвергается ковке и отжигу, структура стали изменяется на сорбит с большим количеством равномерно распределенных вторичных и первичных карбидов. Окончательная термическая обработка быстрорежущей стали заключается в неполной закалке при 1250−1300 °С и трехкратного низкого отпуска при температуре 560 °С. Структура закаленной стали состоит из мартенсита легированного, первичных карбидов и значительного количества остаточного легированного аустенита (до 40%). В процессе многократного отпуска из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, что ведет к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. Структура после однократного отпуска состоит из мартенсита, первичных карбидов и отдельных участков нераспавшегося аустенита (светлый фон в поле микрошлифа). После трехкратного отпуска структура состоит из мартенсита и первичных карбидов, аустенита не более 3%.

Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали

Коррозионно-стойкие стали устойчивы к коррозии в воздушной атмосфере, морской и речной воде, а также в некоторых агрессивных средах при разных температурах.

Жаропрочные стали способны противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах, обладают высокими значениями предела ползучести и длительной прочностью. По структуре делятся на несколько классов: перлитные, мартенситные, мартенситно-ферритные и аустенитные.

Стали мартенситного класса коррозионно-стойкие (20Х13, 30Х13 и др.), жаропрочные при температуре 500−600 °С (15Х11МФ, 40Х9С2 и др.) имеют структуру мартенсита легированного.

Стали аустенитного класса коррозионно-стойкие (12Х18Н9, 10Х14Г14Н10Т), жаропрочные при температуре 600−750 °С (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и др.), после ТО имеют структуру аустенита легированного.

Стали ферритного класса являются коррозионно-стойкими (12Х17, 15Х25Т и др.), имеют структуру крупнозернистого легированного феррита с небольшим количеством карбида кремния. Стали имеют склонность к сильному росту зерна при нагреве, их подвергают рекристаллизационному отжигу.

Стали перлитного класса (15ХМ, 12Х1МФ и др.) являются жаропрочными при температуре 400−550 °С. После нормализации имеют структуру феррит + бейнит.

Стали аустенитно-мартенситного класса коррозионно-стойкие (09Х15Н8Ю и др.) после сложной ТО (закалка, обработка холодом, отпуск (старение)) имеют структуру мартенсита и аустенита.

17

Стали мартенситно-ферритного класса коррозионно-стойкие (12Х13 и др.), жаропрочные при 580−600 °С (15Х12ВМБФР) после закалки и отпуска имеют структуру мертенсит + феррит.

Стали аустенитно-ферритного класса (08Х21Н6М2Т и др.) имеют структуру аустенит + феррит.

Порядок выполнения работы

1.Просмотреть структуры микрошлифов легированных сталей с помощью микроскопа, схематически зарисовать, описать и охарактеризовать.

2.Указать класс исследуемой стали по структуре в отожженном и нормализованном состоянии.

3.Исследовать особенности микроструктуры термически обработанных сталей, выявить характерные особенности их структурных составляющих.

4.Оформить таблицу результатов исследований.

Таблица 1. Результаты исследований легированных сталей

	Марка стали	Назначение	Схема	Структурные	Свойства
			микроструктуры	составляющие

Содержание отчета

Отчет включает в себя цель работы; классификацию легированных сталей; зарисовки микроструктур легированных сталей с описанием особенностей; диаграммы состояния сплавов железо − легирующие элементы с открытой и замкнутой γ-областью (приложение А).

Контрольные вопросы

1.Перечислите требования к цементуемым сталям.

2.Для чего предназначены цементуемые стали?

3.Опишите структуру сталей после улучшения.

4.Охарактеризуйте режимы упрочнения и структуру рессорно-пружинных сталей.

5.Какие классы легированных сталей бывают по структуре?

6.Подшипниковые, штамповые и инструментальные стали. Особенности структуры и свойства.

7.Назовите особенности структуры и свойств износостойких сталей.

8.Приведите классификацию коррозионно-стойких сталей по структуре.

9.Перечислите основные легирующие элементы коррозионно-стойких сталей.

10.Перечислите основные легирующие элементы жаропрочных сталей.

18

Лабораторная работа № 5

СТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цель работы: исследовать структуру, свойства, получение чугунов различного назначения и область применения.

Оборудование, материалы, наглядные пособия: металлографический микроскоп с набором оптики, микрошлифы чугунов травленных и нетравленых, альбом фотографий микроструктур, плакат «структурные диаграммы чугунов».

Основные теоретические сведения

Белые чугуны (ГОСТ 805)

Чугуны, в которых весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, называются белыми. Поверхность излома таких чугунов светлая, блестящая. Представление о структурах белых чугунов дает диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Характерной структурой в них является ледебурит ЛII (рис. 1). Он представляет собой смесь цементита первичного с продуктами превращения аустенита (перлитом и цементитом ЦII). Фазовый состав доэвтектических белых чугунов ЛII + П + ЦII. В заэвтектических белых чугунах присутствует ЛII и ЦI. Цементит в них просматривается в виде светлых пластин, расположенных под углом друг к другу, а перлит − в виде темных. При частичной графитизации цементита ледебурита в структуре белого чугуна появляется графит. Такие чугуны называются половинчатыми.

	а)	б)	в)

Рис. 1. Схемы микроструктур белых чугунов (верхний ряд ×100, нижний ряд ×500): а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

19

БЧ получаются при быстром охлаждении расплавленного металла с незначительным количеством кремния. Чугуны очень твердые, трудно обрабатываются резанием, хрупкие. Твердость эвтектического чугуна НВ 5500. Белые чугуны применяют для переплава в сталь и для получения ковкого чугуна. Иногда используют для получения деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Отливки с отбеленной поверхностью: прокатные валки, лемеха плугов, шары размольных мельниц и др. Половинчатые чугуны применяют в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки) и детали повышенной износостойкости (прокатные, мукомольные валки).

Серые чугуны (ГОСТ 1412)

Серым называют чугун, в котором часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего в плоскости микрошлифа форму прямолинейных или слегка изогнутых пластин. Графит придает излому чугуна темно-серый цвет. Кроме железа и углерода в серых чугунах содержится кремний, а также марганец, фосфор и сера (рис. 2).

В машиностроении наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% углерода. Чем больше количество углерода в чугуне, тем больше в нем графитовых включений, что приводит к снижению механических свойств чугунов. Уменьшение содержания углерода снижает жидкотекучесть чугуна (способность полностью заполнять литейную форму).

Кремний в качестве присадки при выплавке чугуна способствует графитизации. На повышение графитизации влияют увеличение углерода, введение меди, никеля. Марганец затрудняет графитизацию, способствует отбеливанию. Содержание марганца в серых чугунах не превышает 1,4%. Аналогичное влияние оказывает сера и хром.

Фосфор оказывает двоякое влияние на чугун. Содержание фосфора в сером чугуне не должно превышать 0,2%, так как образуется «фосфидная эвтектика». Присутствие ее обуславливает повышение твердости и хрупкости. Однако фосфидная эвтектика имеет низкую температуру плавления (950 ºС) и улучшает литейные свойства. Чугуны с повышенным содержанием фосфора (до 1%) применяются для художественного литья. Отливки, к которым предъявляются повышенные требования по износоустойчивости, изготовляются из чугунов с содержанием фосфора до 0,7%.

Сера − ухудшает литейные свойства чугуна, снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

Структура серого чугуна состоит из металлической основы (стальной) и графитовых включений. Особенности формирования структуры зависят не только от химического состава, но и от скорости охлаждения в процессе первичной кристаллизации. При данном содержании углерода и кремния в чугуне его графитизация тем полнее, чем медленнее отводится тепло (толстостенные отливки). Наглядное

20