Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2628

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
740.66 Кб
Скачать

2628

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»

МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине МТКМ для студентов специальностей 190301, 190302, 190303,

190205, 190701 очной и заочной форм обучения

Составитель: Т.П. Лукоянчева

Самара

2010

УДК 669.621.785

Макро- и микроструктуры сталей и чугунов : методические указания к лабораторным работам по дисциплине МТКМ для студентов специальностей 190301, 190302, 190303, 190205, 190701 очной и заочной форм обучения / составитель : Т.П. Лукоянчева – Самара : СамГУПС, 2010 – 26 с.

Утверждены на заседании кафедры СДМ и ТМ 21 мая 2010г., протокол №9. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов». Лабораторные работы включают краткие теоретические сведения, методики подготовки образцов к проведению испытаний, установление основных дефектов структуры и зависимости свойств от фазового состава сплавов различного назначения, контрольные вопросы.

Составитель: Лукоянчева Татьяна Павловна

Рецензент: доцент СамГУПС М.С. Жарков доцент СамГУПС В.А. Кожевников

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 20.08.2010. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,375. Тираж 100 экз. Заказ № 198.

♥ Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

Лабораторная работа №1

МАКРОИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: изучить методики проведения испытаний и выявления особенностей макроструктур сплавов по видам изломов и по результатам анализа макрошлифов.

Оборудование и материалы: комплект образцов для определения видов изломов при разрушении деталей в процессе эксплуатации и с различными дефектами макроструктуры, вытяжной шкаф, шлифовальный станок, реактивы, лупа, фильтровальная бумага, глянцевая бромсеребряная фотобумага, щипцы, фарфоровая чашка и др.

Основные теоретические сведения

Макроскопический анализ предусматривает определение особенностей строения металла изделий (макростроения) невооруженным глазом или при незначительных увеличениях с использованием лупы или бинокулярного микроскопа (увеличение до 30 раз). Анализ позволяет одновременно наблюдать большую поверхность заготовки (детали), по состоянию которой устанавливают стадии жизненного цикла предшествующей обработки, изменяющей строение сплава и структуру после литья, обработки давлением, сварки, обработки резанием.

Методом макроанализа выявляют вид излома: ровный, блестящий и с выступами или чашечный. Анализ строения излома характеризует поведение металла при разрушении. Различают изломы кристаллические (хрупкое разрушение сталей с пониженной вязкостью), волокнистый (при вязком разрушении, которому предшествовала значительная пластическая деформация) и смешанный. Область материаловедения, изучающая характер излома при разрушении, называется фрактографией. По характеру излома определяют температуру порога хладноломкости − температуру испытаний на ударный изгиб, когда в изломе фиксируются 50 % волокнистой и 50% кристаллической составляющей сплава. Смешанный излом наблюдается в условиях усталостного разрушения.

По наличию дефектов в структуре изделий можно судить о нарушениях технологического процесса, приводящих к изменению свойств. Дефекты литейного производства: пузыри, поры, шлаковые включения, ликвация, флокены, усадочная раковина, усадочная рыхлость и др. В отливках волокна отсутствуют, и основные оси зерен ориентированы в разных направлениях. В изделиях прокатанного производства наблюдаются волокна и строчки вдоль прокатки, «перегрев», устраняемый повторной аустенизацией, и брак «пережог», обезуглероживание и окисление поверхности.

В стандартах на изделия различают дефекты поверхности заготовок, макроструктуру состояния поверхности излома и дефекты, выявляемые по

3

макрошлифам. В макроструктуре осевых заготовок (ГОСТ 4728) не допускаются усадочные раковины, рыхлость, флокены, расслоения, трещины, пузыри, инородные металлические и шлаковые включения, видимые невооруженным глазом. Допускается точечная неоднородность, центральная пористость, ликвационные квадраты и подусадочная ликвация не более балла 3, общая пятнистая ликвация не более балла 2 по ГОСТ 10243. Балл неметаллических включений в стали осевых заготовок (кроме недеформирующихся силикатов) не должен быть более 4 по ГОСТ 1778.

Макроанализ поверхности разрушенного образца производят невооруженным глазом (с помощью лупы или бинокулярного микроскопа). Рельеф разрушенной поверхности указывает на вид излома: вязкий, хрупкий, смешанный. Вязкий излом свидетельствует о значительной пластической деформации перед разрушением. Наличие шейки при испытании на растяжение – признак вязкого излома. Волокна под действием нагрузки вытягиваются и разрываются с образованием матовых темных площадок. Вязкие изломы называют также волокнистыми, они не имеют кристаллического блеска, характеризуют доброкачественную структуру металла.

Хрупкие изломы происходят без заметной пластической деформации, на разрушенной поверхности имеется множество блестящих гладких площадок. Разновидности кристаллических изломов: транскристаллический, межкристаллический, крупнозернистый, мелкозернистый, нафталинистый, камневидный, шиферный, черный, усталостный.

Усталостный излом – следствие разрушения изделия в результате переменного (циклического) многократного нагружения. На поверхности излома выделяются очаг разрушения, зона постепенного развития трещины усталости и зона излома. Зарождение трещины начинается в очаге разрушения, зона развития трещины отличается мелкозернистым строением, поверхность гладкая. Появлению усталостной трещины способствуют концентраторы напряжений. Зона долома – результат ослабления несущей способности изделия при уменьшении поперечного сечения детали. Разрушение происходит с повышенной скоростью и наблюдаются признаки кристаллического излома.

Излом с флокенами. Флокены – дефекты в виде трещин, нарушающих сплошность сплава. В продольном изломе они имеют вид блестящих серебристо-белых пятен овальной или круглой формы с размером до 50 мм. На поперечной полированной и протравленной поверхности макрошлифа эти дефекты просматриваются в виде волосяных трещин. Флокены встречаются в кованных и катаных заготовках, некоторых легированных сталях (хромистых, хромоникелевых и др.), они снижают прочностные характеристики сплавов.

Излом с закалочной трещиной имеет два основных участка: темный − окисленная поверхность закалочной трещины и светлый – мелкозернистый хрупкий излом, образовавшийся при разрушении. Закалочная трещина − результат нарушения технологии термической обработки при чрезмерной скорости охлаждения нагретой

4

детали. Поперечные закалочные трещины могут образовываться в рельсе из-за разогрева металла при буксовании колеса локомотива и последующего быстрого охлаждения.

Макроанализ на макрошлифах. Макрошлиф – специально подготовленная поверхность металлического сплава для исследования особенностей макроструктуры. Анализ начинают с вырезки темплета (образца), одну поверхность которого шлифуют и протравливают специальным реактивом Гейна (водный раствор CuCl2+NH4Cl). В раствор погружают на 30…70 с макрошлиф отшлифованной поверхностью вверх. Железо образца, растворяясь в реактиве, вытесняет медь, которая осаждается на поверхность. Ее смывают водой. На образце выявляются рисунки макроструктуры (волокна, дендриты и др.) и макродефекты (пористость, трещины и др.) После травления выделяются темные шероховатые участки из-за неоднородности по составу и структуре. Места, обогащенные углеродом, фосфором и серой, окажутся менее защищенными медью и протравятся сильнее. После удаления слоя меди они выглядят темнее участков с меньшим содержанием этих элементов. Ликвационные зоны в виде волокон наблюдаются на продольных шлифах пластически деформированного металла. На поперечных шлифах волокон нет. Макроанализ применяется для выявления волокнистого строения проката, зон сварного шва и дефектов сварки и др.

На механические свойства металла детали сильно влияет равномерность распределения в нем серы. Скопления серы резко повышают хрупкость и являются причиной поломки. Пробу на серу проводят с помощью специально подготовленной фотобумаги, которую кладут на макрошлиф и плотно прижимают к поверхности. В местах плотного прилегания бумаги к металлу FeS и MnS реагируют с серной кислотой фотобумаги, при этом выделяется сероводород. Сероводород взаимодействует с бромистым серебром фотобумаги и образуется Ag2S. Образование сернистого серебра сопровождается появлением темно-коричневых точек и пятен на фотобумаге, которые показывают места расположения серы в сплаве (отдельные пятна – MnS, мелкие точки − FeS). Фотобумагу промывают водой и закрепляют отпечаток в фиксаже. В детали из доброкачественной стали должно быть равномерное распределение серы в виде мелких точек. Неравномерное распределение черных точек указывает на склонность сплава к хрупкому разрушению.

Порядок выполнения работы

1. Изучение основных видов изломов. Рассортировать полученные образцы по виду излома. Каждый излом зарисовать, выделив на рисунке характерные зоны. Дать описание каждого излома (поверхность зернистая по всему сечению, ровная, гладкая, кристаллическая, мелкозернистая, крупнозернистая). Установить способ получения детали: литье, прокат и др.

5

2.Выявление волокнистого строения проката (общей ликвации углерода,

фосфора и серы). Анализ выполняется на темплетах, вырезанных из проката и штампованной детали, в такой последовательности: в ванночку с реактивом Гейне погрузить шлиф на 30…70 с, вынуть и промыть струей воды, удалить ветошью слой меди и просушить поверхность фильтровальной бумагой. Выявленную макроструктуру зарисовать и объяснить.

3.Выявление зон сварного шва и дефектов сварки. Выполняется на темплете из сварного соединения. Погрузить макрошлиф в раствор персульфата аммония (не опуская на дно емкости) на 1 мин, вынуть и протереть ветошью, смоченной указанным раствором, промыть водой и высушить фильтровальной бумагой. Выявленную макроструктуру зарисовать, указав зоны наплавленного и основного металла, зоны термического влияния и обнаруженные дефекты.

4.Определение ликвации серы (проба по Бауману). Последовательность проведения исследования: фотобумагу положить в кювету с раствором серной кислоты на 3–5 мин; на исследуемую поверхность темплета наложить просушенную фильтровальной бумагой фотобумагу эмульсионным слоем, прокатать резиновым валиком для удаления воздуха; после небольшой выдержки снять ее с образца, промыть в проточной воде, выдержать в закрепителе 5–7 мин, вынуть, промыть и просушить. Полученный отпечаток наклеить или зарисовать, указав ликвационные места и объяснив их происхождение. Сделать заключение о влиянии выявленного распределения сернистых включений на качества стали.

Содержание отчета

В отчете указать: цель работы, привести зарисовки изломов и описать их особенности (кристаллический, вязкий, крупнозернистый, мелкозернистый и т.д.). При проведении анализа на содержание серы сделать вывод, что металл доброкачественный или сплав склонен к хрупкому разрушению.

Контрольные вопросы

1.Что называется макроанализом?

2.Перечислите виды макроанализа.

3.Перечислите виды изломов.

4.В чем заключается сущность макроанализа по изломам?

5.Что такое излом усталости, его зоны, причины появления излома?

6.Перечислите причины появления отбеленной зоны на изломе и закалочной трещины.

7.Как приготавливается макрошлиф?

8.В чем заключается сущность метода Баумана, его назначение?

9.Перечислите особенности макроструктуры сварного шва.

10.Перечислите виды макродефектов (литье, обработка давлением, сварка).

6

Лабораторная работа № 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe – Fe3C

Цель работы: изучить диаграмму Fe – Fe3C системы и установить зависимости между свойствами сплавов в равновесном состоянии, их фазовым составом и содержанием углерода.

Оборудование, материалы, наглядные пособия: образцы отожженных углеродистых сталей и технического железа, диаграмма системы железо – углерод, твердомер.

Основные теоретические сведения

Диаграмма состояния сплава – графическое изображение зависимости состояния сплава от температуры и концентрации компонентов сплава. Она позволяет определить температуры начала и конца плавления сплавов, их фазовый состав в условиях равновесия при различных температурах и концентрации компонентов, позволяет охарактеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства (литейные, ковочные, свариваемость, обрабатываемость резанием и др.) сплавов. Анализ диаграммы состояния позволяет решать инженерные задачи материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Превращения в зависимости от состава сплава и температуры могут протекать различно, а следовательно, сплавы имеют разные температурные кривые охлаждения (нагревания) и критические точки структурных и фазовых превращений. Превращения в сплавах происходят как при затвердевании жидкой фазы (первичная кристаллизация), так и в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Первичная кристаллизация

ограничена

интервалом температур линий ликвидус (ABCD) и солидус

(AHJECF).

Вторичная

кристаллизация

вызвана полиморфными превращениями

железа и

изменением растворимости углерода в аустените и феррите.

 

Всистеме железо – углерод выделяют сплавы с превращениями: перитектическим

идоэвтектоидным (0,16…0,5% С), доэвтектоидным (менее 0,8% С); эвтектоидным (0,8% С); заэвтектоидным (0,8…2,14% С); доэвтектическими (2,14…4,3% С), эвтектическим (4,3% С), заэвтектическими (4,3…6,67% С).

Изотермические превращения в системе железо − цементит:

- перитектическое превращение на линии HJB (1499 ºС), в сплавах с содержанием углерода 0,16…0,5% имеет место превращение феррита высокотемпературного (Фв) в аустенит

Жв + Фн → Аj;

- эвтектическое превращение на линии ECF (1147 ºС) сопровождается кристаллизацией двух твердых фаз и образованием механической смеси ледебурита

7

Жс → АЕ + ЦI → ЛI;

который при температуре 727 ºС превращается в ледебурит ЛII, т. е. смесь

П+ ЦI → ЛII;

-эвтектоидное превращение на линии PSK (727 ºС) – результат распада твердого

раствора А0,8 на феррит и цементит

Аs → Фp + ЦII.

Рис.1. Диаграмма состояния железо – углерод

Все сплавы изучаемой системы отличаются по химическому составу и имеют свои критические точки структурных и фазовых превращений. Критические точки (и соответствующие им критические температуры) – это температуры, при которых изменяется агрегатное состояние или фазовый состав в металлах и сплавах при нагреве от температуры окружающей среды или при охлаждении от температуры выше линии ликвидус до обычной. Определяют их путем замера изменения теплофизических свойств: температуры (термический анализ), теплового расширения (дилатометрический анализ) и др. Методом термического анализа замеряют изменение температуры через заданный интервал времени, строят кривую охлаждения (нагрева), на которой фиксируются критические точки в виде площадок или перегибов. Значения критических точек нескольких сплавов с разной концентрацией компонентов определяют положение основных точек линий диаграммы состояния (ликвидус, солидус, эвтектических и эвтектоидных превращений и др.).

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), перлит (П), ледебурит (Л), цементит (Ц) и свободный углерод в виде графита (Гр).

8

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Feα. Различают высокотемпературный и низкотемпературный феррит. Феррит – мягкая пластичная фаза с НВ 800…1000, δ = 40%.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600…2000) при температуре 20 – 25 ºС.

Цементит – карбид железа Fe3C, тверд (НВ 8000) и хрупок.

Перлит (0,8% С) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита вторичного, чаще имеет пластинчатое строение зерен, прочная структурная составляющая сплавов: σв = 800…900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ ≤ 1 6%, HB 1800…2200.

Ледебурит первичный (4,3% С) – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 ºС, вторичный − механическая смесь перлита и цементита при температуре ниже 727 ºС. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение обуславливает его высокую твердость (HB более 6000) и хрупкость. Присутствие ледебурита в сплавах обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Кривая охлаждения сплава с содержанием углерода 0,4% показывает, что сплав имеет перитектическое и эвтектоидное превращения. Первичная кристаллизация начинается при 1520 ºС, сплав становится двухфазным: жидкость с высокотемпературным ферритом. Перитектическое превращение при 1500 ºС сопровождается превращением феррита высокотемпературного в аустенит. Сплав изменяет фазовый состав на Ж + А, который сохраняется до температуры 1445 ºС. При температуре 1445 ºС сплав становится однофазным, состоит из кристаллов аустенита А0,4 крупнозернистого. Вторичная кристаллизация – превращение затвердевшего сплава (Ж = 0%), обусловленное полиморфным превращением, полным или частичным распадом твердого раствора. В интервале температур 1445…800 ºС аустенит крупнозернистый превращается в мелкозернистый, а затем из него выделяются кристаллы феррита, сплав становится двухфазным А + Ф = 100% с переменным соотношением фаз в соответствии с изменением температуры. При температуре 727 ºС содержание углерода в аустените достигает 0,8% и ниже линии PSK аустенит распадается на Ф + Ц − механическую смесь (перлит). Ниже 727 ºС охлаждение доэвтектоидной стали марки 40 не сопровождается изменением фазового состава, это двухфазный сплав Ф + П = 100 % структуры.

Сталь марки У10 (С=1%) имеет четыре критические температуры 1480, 1330, 820 и 727 ºС, эта сталь только с эвтектоидным превращением. Фазовые превращения в сплаве при охлаждении: Ж1,0 → Ж + А = 100%, на линии солидус сплав имеет структуру А1,0 = 100% крупнозернистого. Охлаждение до 820 ºС приводит к измельчению зерен аустенита. Снижение температуры при охлаждении вызывает выделение избытка углерода в виде зерен цементита. В интервале температур 820…727 ºС изменяется соотношение фаз А+ЦII = 100%. Выделение цементитной фазы снижает содержание

9

углерода в аустените до 0,8%. При 727 ºС аустенит превращается в перлит А0,8 → П0,8. Доэвтектоидная сталь с содержанием С = 1% − двухфазный сплав П+ЦII=100% с преобладанием перлитной фазы в структуре .

Критические температуры превращений белых чугунов доэвтектического и заэвтектического отличаются от сталей температурами первичной кристаллизации, и они имеют эвтектическое превращение (1147 ºС), которое соответствует линии солидус и эвтектоидное (720 ºС). Для чугуна с содержанием С = 3,0% изменения фазового состава происходят при 1300, 1147 и 727 ºС. Из Ж = 100% при 1300 ºС выделяются кристаллы аустенита, сплав имеет двухфазную структуру Ж + А = 100% до температуры 1147 ºС. Кристаллизация эвтектики (ледебурит) происходит при 1147 ºС, образуются ледебуритные колонии сросшихся между собой дендритов аустенита и цементита А + ЦII + ЛI = 100%. Аустенит избыточный и аустенит ледебурита содержат 2,14% углерода. При снижении температуры растворимость углерода в аустените падает и выделяется избыточный вторичный цементит. Содержание углерода в аустените достигает 0,8% при

727 ºС.

Заэвтектический белый чугун С = 5% имеет соответственно критические точки при 1200, 1147 и 727 ºС. Кристаллизация начинается с выделения крупных зерен цементита (первичный), содержание углерода в жидкой фазе снижается. При температуре 1147 ºС Ж → ЛI. Двухфазный сплав ЦI + ЛI = 100% сохраняется до температуры 727 ºС. При этой температуре аустенит ледебурита превращается в перлит. Ледебурит выше линии PSK состоит из А + ЦI = 100%, а ниже – из П + ЦI = 100%.

По диаграмме состояния сплавов можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и определить состав и количественное соотношение фаз при любой температуре по правилу концентраций и правилу отрезков. Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (на пересечении координат температура – содержание углерода) проводят горизонтальную линию до пересечения с основными линиями диаграммы, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на ось концентраций укажут составы фаз. Отрезки этой линии (конода) между точкой с и точками а и в, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз (табл. 1).

Таблица 1. Фазовый состав железоуглеродистых сплавов

Содержание

Температура, ºС

Фазовый состав

Соотношение

Содержание

углерода в сплаве, %

 

 

фаз, %

углерода в фазах

 

 

 

 

 

0,4

1450

Ж + А

18 : 82

Ж1,5 и А0,4

0,7

700

Ф + П

13 : 87

Ф0,015 и П0,8

3,0

1100

А + Ц + Л

80 : 20

А2,0 и Ц6,67

5,0

1200

Ж + Ц

91 : 9

Ж4,8 и Ц6,67

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]