Лабораторна робота 3 вивчення структури сталей та чавунів

Мета роботи: отримання практичних навичок у проведенні мікроаналізу структур сталей та чавунів; вивчити мікроструктури технічного заліза, вуглецевих сталей, чавунів.

Завдання: визначити за мікрошліфами: а) для сталей – тип сплаву, вміст вуглецю, маркування, практичне застосування сплаву запропонованого зразка; б) для чавунів – вид чавуну (білий, сірий, ковкий, високоміцний), його механічні властивості та галузь застосування; схематично накреслити і описати мікроструктури, що вивчаються.

Устаткування, матеріали, посібники:

1. Робоче місце для виготовлення мікрошліфа: шліфувальний вер­стат, прилади для виконання полірувальних робіт.

2. Набір металевих зразків для вивчення та визначення складових мікроструктур сталей та чавунів.

3. Реактиви для травлення мікрошліфа.

4. Металографічний мікроскоп МІМ-7.

5. Наочне зображення мікроструктур.

6. Персональний комп’ютер із програмою стандартів на основні сплави і сталі.

Теоретичні відомості. Мікроструктура сталей може бути визначена за лівою нижньою частиною діаграми стану «залізо –цементит». Сплави заліза, вміст вуглецю в яких складає 0,025 %, називають технічно чистим залізом. Його структура складається зі світлих зерен фериту з виділеними темними границями. Залізовуглецеві сплави, вміст вуглецю в яких складає 0,025–2,14 %, називаються сталями, а з вмістом вуглецю 2,14–6,67 % – чавунами. На рис. Л.3.1 наведена класифікація сталей. За структурою сталі поділяються на доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні.

Доевтектоїдні (0,025–0,8 % С) – структура цих сталей складається з світлих зерен фериту та темних зерен перліту. Зі збільшенням вмісту вуглецю зменшується кількість фериту, зростає кількість перліту (рис. Л.3.2 а).

Евтектоїдні (0,8 % С) – складаються тільки з перліту (механічна суміш фериту та цементиту), що має різну будову, а відповідно, і властивості. Пластинчастий перліт більш твердий, крихкий та міцний за зернистий (рис. Л.3.2 б).

Рис. Л.3.1. Класифікація сталей

а) доевтектоїдна сталь: 1 – 0,1 % С; 2 – 0,3 % С; 3 – 0,5 % С

х500

х500

х500

3

б) евтектоїдна сталь, 0,8 % С: 1 –зернистий перліт; 2–пластинчастий перліт

х500

х150

х500

г) заевтектоїдна сталь: перліт + цементит

Рис. Л.3.2- Мікроструктура сталей в залежності від вмісту вуглецю

Рис. Л.3.2. Мікроструктура сталей залежно від вмісту вуглецю

Заевтектоїдні (0,8–2,14 % С) – структура складається з перліту та цементиту. За повільного охолодження цементит розташовується по границях зерен перліту у вигляді сітки білого кольору (рис. Л.3.2 в).

Зі збільшенням вмісту вуглецю у вуглецевих сталях змінюється їх структура та фазовий склад: зменшується кількість фериту (80–100 НВ), збільшується кількість цементиту (800 НВ) і, у відповідності з цим, у сталях збільшується твердість, межа міцності, зменшується пластичність та ударна в’язкість. За умов вмісту вуглецю понад 1 % межа міцності зменшується, що пояснюється утворенням у структурі сталі по границях зерен суцільної цементитної сітки.

Визначення вмісту вуглецю та марки сталі. За структурою сталі можна приблизно визначити склад вуглецю, а потім встановити марку сталі. Для цього на мікроструктурі, що розглядається під мікроскопом, орієнтовно визначають площу, що займає перліт, ферит, цементит. Приймають вміст вуглецю у фериті рівним нулю, у 100 % перліту – 0,8 % С, а в 100 % цементиту – 6,67 % С. За структурою заевтектоїдної сталі не рекомендується визначати вміст вуглецю, так як зі збільшенням його вмісту мало змінюється площа, яку займає цементит, тому можна зробити грубу помилку в розрахунках.

Мікроструктура чавунів. Чавун має нижчі механічні властивості, ніж сталь, але хороші технологічні властивості (ливарні, оброблюваність різанням, антикорозійні властивості, зносостійкість), що роблять чавун придатним для виготовлення багатьох деталей у різних галузях машинобудування.

Чавуни поділяються на дві групи:

1. Чавуни, в яких весь вуглець знаходиться у зв’язаному стані у вигляді цементиту (Fe₃C);

2. Чавуни, в яких вуглець знаходиться у вільному стані у вигляді графіту.

До першої групи належать білі чавуни. За структурою їх поділяють на доевтектичні (2,14–4,3 % С), евтектичні (4,3 % С) і заевтектичні (4,3–6,7 % С).

Доевтектичний чавун складається з ледебуриту, перліту та цементиту. Металографічно перліт спостерігається у вигляді темних зерен, цементит – світлих смуг, а ледебурит – у вигляді ділянок із темними вкрапленнями (суміш дрібних округлих темних зерен перліту, рівномірно розподілених у білій основі цементиту).

Евтектичний чавун має структуру ледебуриту – рівномірної механічної суміші перліту і цементиту (рис. Л.3.3 б).

Заевтектичний чавун характеризується двома складовими: цементитом та ледебуритом (рис. Л.3.3 в).

Рис. Л.3.3. Структури доевтектичного (а), евтектичного (б) та заевтектичного (в) чавунів, х 500

Використання білих чавунів у машинобудуванні обмежене. Вони використовуються для виготовлення кульок дробильних апаратів, а в основному білі чавуни переробляють на сталь або шляхом спеціальної термічної обробки (графітизуюче відпалювання) – на ковкий чавун.

До другої групи чавунів належать сірі, ковкі та високоміцні (табл. 1). Структура їх являє собою металічну основу, пронизану графітними включеннями. В чавунів зустрічається три форми графітних включень: пластинчаті, кулеподібні, пелюсткові.

Сірі чавуни одержують шляхом введення до розплавленого чавуну речовин (графітизаторів), що сприяють розпаду цементиту і перетворенню вуглецю на графіт. Графітизатором сірого чавуну є кремній. За введеня приблизно 5 % кремнію цементит сірого чавуну майже повністю розпадається, утворюючи структуру з пластичної феритної основи і краплинок пластинчастого графіту (рис. Л.3.4 а). За зменшення кількості кремнію цементит перліту розпадається частково, утворюючи феритно-перлітну структуру основи чавуну. Подальше зменшення вмісту кремнію веде до формування структури сірого чавуну на перлітній основі. Сірий чавун є найдешевшим конструкційним матеріалом.

Із сірих чавунів виготовляють деталі для низьких і середніх статистичних навантажень (СЧ-10, СЧ-15), навантажень динамічної дії (СЧ-20, СЧ-25), а також для високих навантажень і зношування (СЧ-30, СЧ-40).

Ковкі чавуни одержують шляхом тривалого високотемпературного відпалювання виливків білого чавуну з перлітно-цементитною структурою (рис. Л.3.4 б). Під час такого графітизуючого відпалювання цементит білого чавуну розпадається, утворюючи графіт пластинчастої форми. Розрізняють феритний і перлітний ковкі чавуни. З ковких чавунів виготовляють висоміцні деталі для змінних і ударних навантажень підвищеного спрацювання. Ковкі чавуни мають досить високі антикорозійні властивості, що дає змозу застосовувати їх у вологому середовищі.

Таблиця Л.3.1. Види чавунів та область їх застосування

Чавуни		Межа міцно-сті на розрив, σВ, МПа	Твер-дість, НВ	Відносне видов-ження, δ,%	Область застосування
Сірі	СЧ 10; СЧ 15 СЧ 20; СЧ 25 СЧ 30; СЧ 35	350–500	200– 289	–	Станини верстатів, кришки люків, картери двигунів, блоки циліндрів, зубчасті колеса
Ковкі	КЧ 30-6; КЧ 35-10; КЧ 33-8; КЧ 37-12; КЧ 45-6; КЧ 50-4; КЧ 56-4; КЧ 60-3; КЧ 63-2	300– 630	163– 269	2–12	Шатуни, картер заднього мосту, ступиці, пальці різальних апаратів, гальмівні колодки
Високоміцні	ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 45; ВЧ 50; ВЧ 60; ВЧ 70; ВЧ 80; ВЧ 100; ВЧ 120	380– 1200	140– 369	–	Деталі ковальсько-пресового обладнання, прокатних станів, парових турбін, колінчаті вали, поршні

Високоміцні чавуни – це різновид сірого чавуну з феритною або перлітною структурою, модифікованого магнієм або комплексними модифікаторами (рис. Л.3.4 в). Такі чавуни мають підвищену міцність і, порівняно з сірими чавунами, здатні чинити опір крихкому руйнуванню.

Рис. Л.3.4. Мікроаналіз чавунів, х200

Питання для самостійної підготовки до роботи

1. Описати структуру доевтектоїдної, евтектоїдної, заевтектоїдної

сталей, вміст вуглецю в них та місце розташування їх на діаграмі «залізо – цементит».

2. Дати характеристику доевтектичним, евтектичним, заевтектичним чавунам, форми розташування в них вуглецю.

3. Описати коротко процес підготовки мікрошліфа та мету травлення полірованої поверхні зразка.

Порядок виконання роботи

1. Вибрані для дослідження поверхні зразків у разі потреби прошліфувати і обов'язково полірувати. Виявлення структури металевої основи шліфів після протирання (промивання) здійснюється травленням на кожному зразку половини дзеркальної поверхні реактивом. Для сталі і чавуну частіше застосовують 2–5 % розчин азотної кислоти НNО₃ в етиловому спирті. На обох зразках половини шліфів протирають ватою (10–15 с), змоченою в реактиві, до появи рівного матового відтінку без наявності будь-яких плям. Потім шліфи промивають етиловим спиртом. У результаті неоднакового ступеня травлення структурних складових на поверхні шліфа утворюється мікрорельєф.

Вивчення протравленої поверхні шліфів під оптичним мікроскопом або на моніторі комп’ютера дає змогу побачити мікроструктуру металевої основи. Вона складається зі світлих і темних ділянок. Це пояснюється неоднаковою ступінню відбиття світла від структурних складових. Структура, розчинена на велику глибину, має темний колір, так як дає більше розсіюючих променів. Структура ж, розчинена менше, за рахунок прямого відбиття світла має світлий колір. Границі зерен мають вигляд тонкої сітки. Часто зерна металу одного й того ж самого фазового складу під мікроскопом можуть мати різні відтінки. Це пояснюється тим, що кожне зерно в площині шліфа має свій перетин кристалічної решітки з різною кількістю у ньому атомів, а значить, і властивості зерен відрізняються одні від інших. Таке явище називається анізотропією (здатність монокристала мати різні властивості в різних кристалографічних напрямках).

2. У прямокутнику або колі замалювати мікроструктуру заданих зразків: на одній половині – до травлення, а на другій – після травлення. На замальованих схемах мікроструктур вказати назви структу­рних складових.

3. За структурою замальованого протравленого мікрошліфа для сталі підрахувати у відсотках вміст вуглецю та орієнтовно визначити марку сталі.

Приклад. Припустимо, що в доевтектоїдній сталі перліт займає 25 % усієї площі, ферит – 75 %. Тоді вміст вуглецю в сталі можна визначити з пропорції: 100 % перліту – 0,8 % С, звідки .

Такий вміст вуглецю має конструкційна сталь 20.

4. Для чавуну вказати вид чавуну, структуру, властивості, область застосування.

5. На ділянці діаграми «залізо – цементит» для сталей вертикальними лініями вказати місце знаходження заданих зразків сталей та їх структуру.

Дати висновки за результатами виконаної роботи.

Контрольні запитання для захисту роботи

1. За якими критеріями класифікують сталі?

2. Що відбувається у процесі травленні поверхні мікрошліфа металу?

3. Яка мета огляду під мікроскопом поверхні мікрошліфа?

4. Технологія травлення поверхні мікрошліфа.

5. Що таке зерно металу?

6. У чому суть анізотропії металу?

7. Місце розташування на діаграмі «залізо – цементит» доевтектоїдних, евтектоїдних та заевтектоїдних сталей?

8. Що таке доевктектичні, евтектичні, заевтектичні чавуни.

9. Розшифрувати 2–3 марки сталей.

10. Розшифрувати 2–3 марки чавунів.