Материаловедение_лабы

Диаграмма состояния сплавов из двух компонентов, неограниченно растворимых в жидком и твердом состояниях.

Примеры таких сплавов – твердые растворы с неограниченной растворимостью: медь–никель, железо–хром и другие, имеющие тип диаграммы, представленной на рис. 3.3. В сплавах этого типа существуют только две фазы: жидкий и твердый растворы, температурные области стабильности которых зависят от химического состава сплавов.

Рис. 3.3. Диаграмма состояния сплавов системы медь–никель: 1 – кривая охлаждения сплава (50%); I – жидкость; II – жидкость и кристаллы α-твердого раствора; III – кристаллы α-твердого раствора

Например, при охлаждении сплава состава 50% Cu и 50% Ni с t = 1500°С до tн сплав находится в жидком состоянии. Кривая его

охлаждения (рис. 3.3) имеет два перегиба (tн , tк ) и участок замедленного изменения температуры (tн … tк ), что говорит о кристаллизации сплава, т.е. об образовании центров кристаллизации (tн )

ипоследовательном росте из каждого центра древовидных кристаллов твердого раствора до полного их срастания друг с другом

и«исчерпания» жидкой фазы (рис. 3.4). Ответ на вопрос о химическом составе каждого последовательно нарастающего слоя сплава внутри растущего кристалла, а также о составе остатков жидкой

30

фазы в каждый момент охлаждения t дает «второе правило отрезков»: «В двухфазной области проекции на ось концентрации точек

пересечения горизонтального отрезка (изотермы t, где tн < t < tк ) с

линиями диаграммы суть концентрации компонентов в фазах сплавов, т.е. в процессе охлаждения состав твердой фазы изменяется «по линии солидус», а жидкой – «по линии ликвидус».

а

б

Рис. 3.4. Микроструктура сплава твердого раствора Cu-Ni (×200):

а– после литья; б – после деформации и гомогенизации

Вначальный момент кристаллизации сплава 3 (см. рис. 3.3) при температуре tн состав зародыша кристаллизации определяет-

ся точкой н. При температуре t1 состав твердой фазы определяет-

ся точкой 1, а жидкой – точкой 1' и т.д. Последние кристаллы, образовавшиеся при температуре tк , имеют состав, соответствую-

щий исходной концентрации компонентов, а жидкости – состав, соответствующий точке к. Неоднородный химический состав каждого дендрита (кристалла) в структуре литого сплава ясно виден на фотографии микроструктуры (см. рис. 3.4, а). Такое явление называется дендритной ликвацией.

Взаимосвязь диаграмм состояния и свойств сплавов (зако-

ны Н.С. Курнакова). Вид диаграмм состояния и свойств сплавов зависит от того, какие фазы, соединения, структурные составляю-

31

щие образуют компоненты сплава. Академик Н.С. Курнаков установил, что изменение свойств сплава происходит закономерно с изменением концентрации компонентов и в соответствии с типом диаграммы состояния сплава, т.е. в значительной степени определяются фазовым составом.

1.При образовании сплавов с эвтектикой свойства сплавов изменяются с изменением состава по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значения свойств находятся в интервале свойств чистых компонентов.

2.Свойства сплавов, компоненты которых образуют твердые растворы, меняются с изменением состава по криволинейному закону, некоторые свойства могут значительно отличаться от свойств компонентов (например, электропроводность).

У твердых растворов такие свойства, как удельное электросопротивление (ρ), твердость НВ, коэрцитивная сила Нс, всегда

выше, чем у исходных компонентов.

Связь диаграмм состояния сплавов с его свойствами позволяет в первом приближении подобрать систему сплавов с нужными свойствами, а также концентрацию компонентов в сплаве, обеспечивающих получение необходимых его свойств.

3.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить записанные на потенциометре кривые охлаждения ряда сплавов свинец–сурьма и медь–никель; выделить названные преподавателем номера кривых охлаждения и нарисовать их в отчете (масштаб по оси времени произвольный).

2.Определить по кривым охлаждения критические температуры исследуемых сплавов. Результаты определения критических температур всех сплавов свести в табл. 3.1 и 3.2.

Т а б л и ц а 3.1

Критические температуры сплавов Рb - Sb

№	Химический		Верхняя	Нижняя	Микроструктура	Твердость
	состав сплава, %		критическая	критическая
сплава	Sb	Рb	t,ºС	t,ºС	сплава	НВ
1	0	100	327	-
2	5	95
3	10	90

32

	№			Химический					Верхняя			Нижняя		Микроструктура			Твердость
		состав сплава, %						критическая				критическая
сплава				Sb		Рb			t,ºС				t,ºС		сплава			НВ
4			13			87
5			20			80
6			30			70
7			50			50
8			100			0			631
																Т а б л	и ц а 3.2
						Критические температуры сплавов Сu – Ni
	№			Химический состав						Верхняя			Нижняя			Микро-		Твер-
					сплава, %					критиче-
													критическая			структура		дость
	сплава			Ni			Cu			ская			t,ºС			сплава		НВ
										t,ºС
1				100			0			1453			-					83
2				80			20											95
3				60			40											90
4				40			60											68
5				20			80											40
6				0			100			1083			-					40

3. Изучить микроструктуры сплавов и сделать зарисовки микроструктур заданных сплавов. Площадь шлифа, занятая избыточными кристаллами свинца (или сурьмы), должна быть рассчитана по «первому правилу отрезков» после построения диаграммы.

4. По критическим температурам сплавов построить (с соблюдением масштабов) диаграммы состояния сплавов: свинец–сурьма (рис. 3.1) и медь–никель (рис. 3.3).

5. Определить твердость сплавов (1-8) системы Рb – Sb. Результаты записать в табл. 3.1.

3.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

33

2.Сущность метода термического анализа.

3.Кривые охлаждения заданных сплавов (в масштабе по оси температур) и схематичное изображение микроструктур.

4.Таблицы результатов определения критических температур всех исследуемых сплавов.

5.Диаграммы состояния сплавов свинец–сурьма и медь–ни-

кель.

6.Графики зависимости свойств от состава сплавов.

7.Выводы по работе.

3.5.Вопросы для самопроверки

1.В чем сущность метода термического анализа?

2.Что такое эвтектика, твердый раствор, химическое соеди-

нение?

3.В чем сущность законов Н. С. Курнакова?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОТОЖЖЕННОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

4.1.Цель работы

1.Изучить микроструктуру углеродистой стали в зависимости от содержания углерода в отожженном состоянии.

2.Исследовать влияние химического состава, формы и размера структурных составляющих на механические свойства сталей

вравновесном состоянии.

3.Познакомиться с принципами маркировки углеродистых

сталей.

4.2.Теоретическое обоснование работы

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом при содержании углерода до 2,14%, а также с постоянными примесями Si, Mn, S, P и скрытыми примесями (кислород, азот, водород). Сера и фосфор являются вредными примесями: сера вызывает красноломкость (хрупкость при горячей обработке давлением),

34

фосфор – хладноломкость, повышая температурный порог хладноломкости. Даже небольшие концентрации газов резко отрицательно влияют на свойства стали, снижая ее пластичность и вязкость.

В зависимости от содержания серы, фосфора и неметаллических включений конструкционные углеродистые стали классифицируют по качеству на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст»

ицифрами от 0 до 6. «Ст» – «Сталь», цифры – условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная.

Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Содержание серы в стали всех марок, кроме Ст0, должно быть не более 0,050%, серы, фосфора – не более 0,040%, в стали марки Ст0 серы – не более 0,060%, фосфора – не более

0,070%.

Качественные стали содержат не более 0,04% S и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями

игазами.

Маркируют их двузначными цифрами 05, 10, 15, …, 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: «кп», «пс». В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

Для изделий ответственного назначения применяются высококачественные стали (в том числе углеродистые с содержанием углерода 0,7…1,3% С) с ещё более низким содержанием серы (0,02 %) и фосфора (0,03%). Их маркируют У7, У12, где "У" – углеродистая сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки добавляется буква "А", например У7А, У12А.

Сплавы, содержащие до 0,01% С, являются однофазными и имеют структуру феррита (это технически чистое железо). Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, твердость феррита НВ ~ 80. В структуре сплавов, содержащих от 0,01% до 0,02% С, появляется избыточный третичный цементит,

35

который понижает их пластичность (цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), это хрупкая фаза, твердость цементита 800 НВ). При увеличении содержания углерода в сплавах появляется структурная составляющая – перлит, содержащая значительное количество вторичного цементита; при этом влияние незначительного количества третичного цементита можно не учитывать.

Перлитом называется механическая смесь феррита и цементи-

та при содержании углерода 0,8%.

Микроструктура отожженной углеродистой стали. По диаграмме «железо–цементит» (рис. 4.1) стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

36

Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C: А – аустенит; Ж – жидкий

раствор; Л – ледебурит; П – перлит; Ф – феррит; Ц – цементит; ЦI , ЦII, ЦIII – соответственно первичный, вторичный и третичный цементит

Доэвтектоидные стали с содержанием углерода до 0,8% С имеют структуру феррита и перлита. С увеличением содержания углерода в стали количество феррита уменьшается, количество перлита увеличивается. Изменяются размеры и форма феррита. Феррит как структурная составляющая встречается в виде зерен, сетки и игл. В техническом железе (при травлении выявляются только зерна феррита) при содержании углерода до 0,2% феррит имеет вид зерен, на стыках которых располагается перлит. При содержании углерода 0,3…0,5% феррит и перлит имеют вид зерен. При содержании углерода, близком к эвтектоидному, феррит располагается вокруг зерен перлита в виде сетки.

По микроструктуре в углеродистой доэвтектоидной стали (в равновесном состоянии) можно определить содержание углерода. Пренебрегая содержанием углерода в феррите, считают, что весь углерод находится в перлите. Из анализа диаграммы состояния системы Fe–Fe3C известно, что структура сплава с содержанием углерода 0,8% состоит из перлита, т.е. 0,8% углерода соответствуют 100% перлита. Следовательно, содержание углерода в стали (С) можно определить по формуле

С = 0100,8 П % ,

где С – содержание углерода в стали в %; П– площадь микроструктуры стали, занятая перлитом визуально под микроскопом, %. Например, в микроструктуре стали в поле зрения площадь, занятая перлитом, составляет 50%. Тогда содержание углерода будет равно

0,4%.

37

Сталь с содержанием углерода 0,8%, имеющая структуру перлита (П), называется эвтектоидной. В зависимости от формы цементита перлит бывает зернистым и пластинчатым (рис. 4.2).

а

б

Рис. 4.2. Форма фазовых составляющих структуры (цементит и феррит):

а – пластинчатый перлит, × 2500; б – зернистый перлит, ×1000. В обоих случаях содержание углерода равно 0,8% (по маccе)

Стали, содержащие свыше 0,8% углерода, называются заэвтектоидными. Их структура состоит из перлита и вторичного цементита, имеющего в заэвтектоидной стали форму сетки.

Таким образом, в зависимости от содержания углерода в углеродистой стали, находящейся в равновесном состоянии (состояние после отжига), изменяются её микроструктура и механические свойства. С повышением содержания углерода повышается прочность и снижается пластичность, так как возрастает количество твердой и хрупкой фазы Fe3C.

Микроструктура углеродистой стали в перегретом и пережженном состоянии. При нагреве стали значительно выше критических температур происходит укрупнение зерна и изменение формы структурных составляющих. В доэвтектоидой стали это может привести к появлению иглообразного, шиповидного феррита, в заэвтектоидной – цементита аналогичной формы. Подобная структура наблюдается иногда в литой стали и называется видманштетовой структурой. Такая сталь имеет крупнокристаллический излом и вследствие этого низкие механические

38

свойства. Структура перегретой стали может быть исправлена отжигом или нормализацией. Значительный перегрев стали в окислительной среде может привести к образованию оксидов железа по границам зерен. Это явление получило название «пережог стали». Исправление структуры пережженной стали чаще всего нерентабельно.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить под микроскопом при увеличении 210 шлифы отожженной стали с различным содержанием углерода, шлифы перегретой и пережженной стали, протравленные 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте. При изучении микроструктур пользоваться альбомом микроструктур и диаграммой железо– цементит.

2.Измерить твердость сталей с разным содержанием углерода. Результаты занести в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Микроструктура, свойства отожженной углеродистой стали, области применения сталей

		Микрострук-			Механические свойства в
	Содер-	тура			отожженном состоянии					При-
Марка	жание	обо-		изо-	σ	σ	δ	HRB	HB	мене-
стали	углеро-			бра-	в	0,2				ние
		зна-
	да, %			же-	МПа		%	HRC	МПа	стали
		чение
				ние
Техни-
ческое	<0,01	Ф			250	120	50			-
железо
Сталь 20					370	200	28
Сталь 40		Ф+П			570	335	19
Ст 5 сп	0,28…0,37				570	285	19
Сталь 60					680	400	16
		Ппла-
У8		стинча-			850	450	15
		тый

39