Лабораторна робота № 6

Тема: Вивчення мікроструктури вуглецевих сталей і чавунів у відпаленому стані.

Мета роботи: Розглянути під мікроскопом мікроструктури вуглецевих сталей і чавунів, вивчити структурні складові доевтектоїдних і заевтектоїдних сталей, навчитися визначати величину зерна сталі та вміст вуглецю у доетектоїдних сталях.

Необхідні прилади, матеріали та матеріали:

1. Металографічний мікроскоп МІМ-7.

2. Мікрошліфи вуглецевих сталей і чавунів.

3. Фотографії структур вуглецевих сталей і чавунів.

Теоретична частина

Сталь – це сплав заліза з вуглецем (з невеликим вмістом домішок), в якому міститься вуглецю не більше 2, 14 %.

При охолодженні сталі із розплавленого стану виділяються кристали твердого розчину вуглецю в Fe_γ, який називається аустенітом.

Виявити структуру аустеніту у простих вуглецевих сталях можна тільки при високих температурах, так як при повільному охолодженні аустеніт стійкий тільки до температури 727 ºС, у площині, обмеженій лініями (рис.6.1). При температурі 727 ºС аустеніт, який містить 0, 8 % вуглецю розкладається на дві складові, утворюючи тонку механічну суміш, евтектоїд - перліт. Сталі, які містять у собі 0,8 % вуглецю називаються евтектоїдними. Структурними складовими перліту є цементит (Fe₃C – хімічне з’єднання заліза з вуглецем, яке містить 6,67 % вуглецю) і ферит (твердий розчин вуглецю в Fe_α).

На мікрошліфі, протравленому 2-5 % розчином азотної кислоти в етиловому спирті, перліт при збільшеннях має вигляд впорядкованих паралельних у межах кожного зерна темних і світлих смужок. Ці обидві структурні складові перліту – цементит і ферит виділяються розчином сірчаної кислоти світлими, але у зв’язку з тим, що цементит більш твердий і менше розчиняється у кислотах, пластинки цементу виділяються на шліфі над феритом, то ми їх бачимо під мікроскопом оточеними чорними смужками – тінню.

Крім пластинчастого, перліт може мати зернисту будову. Такий перліт можна одержати із пластинчатого шляхом нагрівання при температурі 700 ºС.

Якщо розглядати структуру сталей, які містять у собі менше, ніж 0,8 % вуглецю (доевтектоїдні сталі), крім перліту у цих структурах будуть світлі зерна надлишкового фериту, який виділився із аустеніту починаючи від лінії GS діаграма (рис.6.1) до температури 727 ºС.

Якщо у сталі вуглецю більше ніж 0,8 % (заевтектоїдні сталі), то структура таких сталей буде складатися з перліту і надлишкового вторинного цементу, який виділяється з аустеніту при охолодженні по лінії ES діаграми стану (рис.6.1).

Вторинний цементит заевтектоїдної сталі виділяється у вигляді голок або тонкої сітки на межі зерен перліту, по кольору він подібний до надлишкового фериту у доевтектоїдних сталях, але більш рельєфний.

Чим далі від евтектоїдної точки S (у сторону збільшення вуглецю) тим більше у цій сталі буде надлишкового цементу і менше евтектоїду.

Структуру чистого фериту мають сталі з дуже низьким вмістом вуглецю – до 0,006 % при кімнатній температурі, і – до 0,4 % при 727 ºС.

Ферит стійкий у площині QPG діаграми стану. Структура чистого фериту має вигляд поліедричних зерен і не відрізняється від структури більшості чистих металів або твердих розчинів. Якщо вміст вуглецю у сталі перевищує граничну розчинність його у сфері (лінія по діаграмі PQ), у структурі сталі виявляється нова складова – третинний цементит. Він виділяється у вигляді тонких пластинок по межах зерен фериту.

Враховуючи те, що ферит практично не містить у собі вуглецю, а у перліті є його приблизно 0,8 %, то може по співвідношенню площин, які займає у мікроструктурі ферит і перліт визначити вміст вуглецю у доевтектоїдній сталі. Візьмем, наприклад, мікроструктуру, в якій вся площа зайнята перлітом, то вміст вуглецю у сталі буде відповідати 0,8 %, а якщо на мікроструктурі площа, яка займає перліт дорівнює приблизно 25 % всієї площі, то дана сталь містить вуглецю:

100-0,8

25-х

х=%.

У заевтектоїдній сталі із вмістом вуглецю більше 0,8 % структура складається із перліту і цементиту. У таких сталях вище сказаним методом, визначити вміст вуглецю неможливо. Тому, що вуглець у даних сталях міститься не тільки у перліті, а й у цементиті (6,67 %), площу якого визначити важко.

Вадами мікроструктури сталі є:

1. Крупнозернистість – результат перегрівання, понижує міцність сталі, особливо її ударну в’язкість.

2. У результаті перегріву часто утворюється так звана відманштетова структура, яка не тільки крупнозерниста, але й має вигляд гострокінцевих голкових утворень. Відманштетова структура спричинює сталям низькі механічні властивості, особливо низьку ударну в’язкість.

У результаті гарячої обробки сталей тиском, структурні складові у доевтектоїдних сталях розташовуються рядами, утворюючи смугасту структуру – це приводить до анізотропії механічних властивостей.

Величина зерна сталі визначається за допомогою мікроскопа із збільшенням у 100 разів за стандартною шкалою, яка у залежності від числа зерен, які вміщуються у площині 6,25 см², поділяються на 8 номерів. Номеру 1 відповідає найбільша величина зерна, номеру 8 – найменша.

Чавунами називаються сплави заліза з вуглецем, які містять більше 2,14 % вуглецю. Найчастіше зустрічаються чавуни із вмістом 2,5 – 4,5 %С. Чавуни з іншим вмістом зустрічаються рідко.

Крім вуглецю у чавунах завжди містяться: Si; Mn; P; S; Ni; Cr; Cu;

Mo; V.

Вуглець у чавунах може перебувати або у хімічному з’єднанні (Fe₃C), яке називається цементитом, або у вільному стані - графіт.

У залежності від виду, в якому перебуває вуглець у чавунах вони поділяться на білі та сірі. Останні по формі графіту – на сірі звичайні, ковкі і високоміцні.

Білі чавуни. У білих чавунах весь вуглець перебуває у вигляді Fe₃C.

Мікроструктура білих чавунів залежить від вмісту у них вуглецю і легко може бути визначена по діаграмі сплавів.

Характерною складовою білих чавунів є евтектика – ледебурит (див. рис. 6.1). Ледебуритом називається механічна суміш аустеніту і первинного цементиту, яка утворюється при температурі 1147 ºС і містить 4,3 % С.

Білий чавун, який містить 4,3 % С, має структуру, що складається тільки із ледебуриту і називається евтектичним.

При температурі 737 ºС аустеніт містить у собі 0,8 % С і перетворюється у перліт. Відповідно, нижче 727 ºС ледебурит є сумішшю цементиту і перліту.

Білі чавуни із вмістом вуглецю від 4,3 до 6,6 % називаються заевтектичними. Структура таких чавунів складається з ледебуриту і зерен надлишкового первинного цементиту.

Білі чавуни із вмістом вуглецю від 2,14 до 4,3 % називаються доевтектичними. Їх структура до 727 ºС складається з ледебуриту і надлишкового аустеніту. Нижче температури 727 ºС структура доевтектичного чавуну складається з ледебуриту, перліту і вторинного цементиту.

Білі чавуни по механічних властивостях відрізняються великою крихкістю і великою твердістю, яка збільшується пропорційно вмісту вуглецю у чавуні.

Сірі чавуни. Характерною структурою сірих чавунів є пластинчастий графіт. Відносно умов утворення графіту у сірому чавуні є дві теорії:

1. Графіт виділяється безпосередньо із розчину.

2. Графіт є продуктом розпаду цементиту.

Друга теорія більш розповсюдженна.

Графіт – крихкий, неміцний, твердість його мала. Графіт у сірих чавунах перебуває у вигляді пластинок, тим самим він розрихлює його механічну основу і понижує властивості.

Графіт слабо полірується і майже не відбиває світла, тому його видно під мікроскопом, як темні плями.

Частина вуглецю в сірих чавунах перебуває у хімічному з’єднанні Fe₃C.

На відміну від білих чавунів, структура сірих чавунів залежить тільки від вуглецю, який є у хімічному з’єднанні. На кількість Fe₃C у чавуні сильно впливає швидкість охолодження. Чим більша швидкість охолодження, тим більше Fe₃C.

1. Якщо у сірому чавуні Fe₃C = 0 %, то структура чавунів ферит і графіт.

2. Якщо 0<Fe₃C<0,8 %, то структура сірого чавуну ферит, перліт і графіт (доевтектоїдний чавун).

3. Якщо Fe₃C = 0,8 %, то структура сірого чавуну перліт і графіт (евтектоїдний чавун).

4. Якщо Fe₃C = 0,80 - 2,14 %, то структура сірого чавуну складається з перліту, вторинного цементиту і графіту (заевтектоїдний чавун).

У залежності від форми графіту в сірих чавунах, чавун має різні властивості:

• якщо графіт у вигляді товстих пластинок, то властивості понижуються;

• якщо графіт у вигляді тонких пластинок, то чавун має підвищені механічні властивості.

Високоміцні чавуни. На практиці широко використовують сірі модифіковані чавуни, в яких графіт виділений у кульки. Модифікування чавунів проводиться шляхом добавлення у чавун перед розливанням від 0,1 до 8 % магнію, або інших модифікаторів.

Ковкий чавун.Ковким називається чавун, одержаний спочатку у вигляді відливки з білого чавуну, який після термічної обробки – відпалу (старіння) змінив свою внутрішню будову і механічні властивості.

Одержання ковкого чавуну полягає у тому, що цементит при нагріванні до високих температур і витримуванні при цих температурах розпадається:

Fe₃C → 3Fe + C

з виділенням вуглецю у вигляді зрощених в одне ціле кульок, що підвищує механічні властивості чавуну.

У залежності від ступені графітизації відливки, структура ковкого чавуну може бути:

а) ферит і графіт відпалу;

б) перліт і графіт відпалу.

Порядок виконання роботи.

Розглянути і зарисувати такі структури:

1. Сталь із дуже малим вмістом вуглецю (не більше 0,03 %);

2. Доевтектоїдна сталь.

3. Евтектоїдна сталь.

4. Заевтектоїдна сталь.

5. Дефекти структури сталей – крупнозернисту і відманштетову.

6. Визначити вміст вуглецю у доевтектоїдній сталі.

7. Визначити величину зерна сталі.

8. Розлянути під мікроскопом непротравлені мікрошліфи сірих і ковких чавунів.

9. Розлянути під мікроскопом протравлені мікрошліфи сірих, ковких і білих чавунів.

10. Зарисувати мікроструктури вказаних чавунів.