Лабораторная работа № 6
«Распознавание углеродистых сталей по микро-структуре сплава в равновесном состоянии (микроанализ сталей)»
Учебная цель: освоить методику микроскопического анализа и изучить микроструктуру углеродистых сталей.
Учебные задачи:
Изучить структурные составляющие сталей по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C, определяемые содержанием углерода.
Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Освоить метод приближенного определения углерода в стали.
Исследовать под микроскопом выданные микрошлифы углеродистых сталей.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО третьего поколения:
Студент должен
уметь:
проводить исследования и испытания материалов;
знать:
способы и методы исследования и испытания материалов.
Задачи лабораторной работы № 6
Повторить краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.
Ответить на вопросы для закрепления теоретического материала по теме.
Выполнить практические задания лабораторной работы.
Оформить отчет.
Обеспеченность занятия (средства обучения):
1. Технические средства обучения:
металлографический микроскоп МИМ-7;
металлографический микроскоп инвертированный МЕТАМ РВ-34;
комплект микрошлифов углеродистых сталей;
альбом фотографий микроструктур;
плакат «Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3 C.»
2. Учебно-методическая, справочная литература:
А.М.Адаскин Материаловедение: Учебник. – М.: Высшая школа, 2009.
Л.Д. Иванова Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ. – Самара: ГБОУ СПО «ПГК», 2014.
3. Лекционная тетрадь по материаловедению.
4. Тетрадь в клетку для выполнения лабораторных работ.
5. Калькулятор инженерный.
6. Ручка.
7. Карандаш простой.
8. Линейка.
9. Ластик.
Краткие теоретические и учебно-методические материалы
по теме лабораторной работы
Железоуглеродистые сплавы, содержание менее 2% С, называются сталями. Основой для определения фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния железо-углерод (рис. 20). Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплавах полностью закончились. Такое состояние наступает только при медленном охлаждении (отжиге), т.е. охлаждении вместе с печью.
Рисунок 21 - Диаграмма состояния «железо-цементит».
Условие образования тех или иных фаз и структур можно определить, рассматривая по диаграмме состояния и процессы, происходящие при охлаждении в изучаемых сплавах (рис. 22).
Рисунок 22 - Кривые охлаждения железоуглеродистых сплавов.
Структурные составляющие системы «железо-углерод» (углеродистых сталей) следующие:
феррит (почти чистое железо) - твердый раствор (внедрения) углерода в α - железе. Феррит является продуктом диффузного превращения аустенита А при его охлаждении ниже температур, соответствующих линий GS. Феррит магнитен, весьма пластичен, относительное удлинение - 50%, твердость НВ 70…80. На диаграмме рис. 20 феррит занимает область GPQ. При рассмотрении в микроскопе феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости.
цементит - это химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Цементит выделяется из аустенита (А) при его охлаждении ниже температур, соответствующим линиям Ас3, Аст вследствие уменьшения растворимости С в Fe. Цементит - самая хрупкая и твердая структурная составляющая НВ800…1000 ( царапает стекло), пластичность его ничтожна мала и практически равна 0. Поэтому с ЦII в структуре стали, что наблюдается при увеличении в ней концентрации углерода, твердость стали повышается, а пластичность падает. При рассмотрении под микроскопом он наблюдается в различных геометрических формах: в виде светлых пластин, мелких зерен или сетки по границам зерен.
Двухфазные структуры
Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит содержит 0,8%С и образуется при +727 градусах из аустенита (линия PSK). Процесс образования перлита можно записать так: Fγ (С) Fe (С) +Fe3C т.е. А - превращается в смесь (Ф + ЦII ), т.к. содержит перлит 1/8 ЦII , то имеет повышенную твердость и прочность по сравнению с ферритом НВ 180…220.
При рассмотрении под микроскопом, в зависимости от формы цементита, различают:
пластинчатый перлит, в котором цементит имеет форму пластин;
зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите. Для выявления микроструктуры железоуглеродистые сплавы подвергаются травлению, процесс которого заключается в различной степени растворения или окрашивания отдельных структурных составляющих – таких, как: Ф, ЦII , П.
Таблица 8
Реактивы для травления железоуглеродистых сплавов
|
Наименование реактива
|
Состав реактива
|
Назначение и особенности применения реактивов
|
4%-ный раствор HNO:, в спирте (спиртовой раствор азотной кислоты).
|
1-5 см3 азотной кислоты, 100 см3 этилового спирта.
|
Реактив окрашивает перлит в темный цвет, выявляет границы зерен феррита.
|
Раствор персульфата
|
10г персульфата аммония, 100 см3 воды
|
Окрашивает феррит
|
Пикрат натрия
|
|
Окрашивает цементит в темный цвет. Применяется, чтобы отличить цементит от феррита
|
Рисунок 23 – Схемы видимости перлита под микроскопом:
а) пластинчатый, б) зернистая.
Например, после травления перлита на шлифе получается микрорельеф. Это объясняется тем, что цементит более стойкий против травления, чем феррит, и будет выступать над поверхностью шлифа. Кроме того, интенсивно растворяются границы между ЦII и Ф. Границы зерен и пластин наблюдаются в виде темных линий, которые образуются тенью от выступающих цементитных пластин (зерен), в результате создавшейся неодинаковой освещенности и отражения света.
Вывод: Перлит представляет собой чередование пластинок (зерен цементита и феррита, причем пластины цементита значительно тоньше и тверже, чем пластинки феррита).
Микроструктура углеродистой стали после ее полного отжига представляет собой совокупность рассмотренных выше структурных составляющих и соответствует диаграмме «железо-углерод». Сплавы системы «железо-углерод» с содержанием углерода до 2%, можно условно разделить на железо, доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали.
Микроструктура технического железа
Сплавы, содержащие менее 0,006%С, являются однофазными и имеют структуру чистого феррита (рис. 24). Сплавы, содержащие более 0,006%С до 0,02%С, обычно называют железами, но они являются двухфазными сплавами, их структура состоит из феррита и третичного цементита (рис. 24).
Рисунок 24 - Техническое железо: зерна феррита
с ясным очертанием их границ.
Травление 4%-м HN03 в спирте х200.
Темные линии - границы зерен феррита, светлое поле - зерна феррита. При глубоком травлении микрошлифа (персульфатом аммония) зерна феррита получаются различных оттенков — от светлых до темных.Техническое железо производят в большом количестве с суммарным содержанием примесей 0,85% для электротехнических целей.
Микроструктура доэвтектоидной стали
Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8%С. Структура отожженной доэвтектоидной стали имеет зернистое строение и состоит из феррита и перлита; после травления феррит выявляется в виде светлых полей, а перлит - в виде полей полосчатого строения, более темных, чем феррит. Чем больше увеличение перлита, тем более отчетливо видно его полосчатое строение. При малых увеличениях перлит выявляется в виде темных зерен, и полосчатого строения не видно (рис. 25 и 26).
Рисунок 25. Рисунок 26.
Количество перлита и феррита в доэвтектоидной стали зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода количество содержания феррита уменьшается, а перлита – увеличивается, и при достижении 0,8%С количество перлита равно 100%.
По микроструктуре отожженной доэвтектоидной стали с достаточной для практических целей точностью можно определить содержание углерода, для чего по структуре нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую ферритом и перлитом. В связи с тем, что в феррите растворено очень небольшое количество углерода, практически можно считать, что весь углерод в доэвтектоидных сталях находится в перлите.
Пример: Предположим, что 50% всей площади рассматриваемого под микроскопом шлифа занято перлитом и 50% - ферритом, тогда содержание углерода можно определить из пропорции:
100% перлита - 0,8 % С
50% перлита - х % С
Это сталь марки: Сталь 40. Конструкционная углеродистая сталь широко применяется для проката на профили (балки, уголки, листы, круглого, шестигранного и др. сечений), для холодной и горячей штамповки, а также для фасонного литья.
Эвтектоидная и заэвтектоидная стали
Сталь, содержащая 0,8%С, называется эвтектоидной. Структура такой стали состоит из одного перлита - эвтектоидной смеси - феррита и цементита пластинчатого (рис. 27) или зернистого (рис. 28) строения.
Рисунок 27. Рисунок 28.
Форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойство стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен, но имеет меньшую твердость, чем пластичный. Твердость зернистого - НВ 160…220, а пластичного - НВ 200…250. Если размер цементитных частиц очень мал, то перлит в обычном металломикроскопе наблюдается в виде темных зерен, на котором нельзя заметить ни пластин, ни зерен цементита.Стали, содержащие более 0,8%С, называются заэвтектоидными. Структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита. Последний, в зависимости от режима термической обработки, наблюдается в виде сетки по границам зерен перлита или игл.
Рисунок 29. Рисунок 30.
Микроструктура заэвтектоидной стали и ее схема даны на рис. 29, где белая сетка – вторичный цементит, а внутри сетки зерна пластинчатого строения - перлит.
После травления 4 % - ным HN03 в спирте цементит имеет вид белой составляющей, так же, как феррит, а перлит - темной. Чтобы отличить по микроструктуре ЦII от Ф, шлиф протравленный HN03, заново переделывается, т.е. шлифуется, полируется, а затем травится пикратом натрия. Последний окрашивает ЦII в темный цвет (см. рис. 30).
Инструментальная углеродистая сталь применяется для изготовления нетеплостойкого
инструмента, т.к. при нагревании до 200 С° теряет свои режущие свойства.
Вопросы для закрепления теоретического материала
Дать определения феррита, перлита, цементита.
Дать определение доэвтектоидной стали.
Дать определение заэвтектоидной стали.
Что собой представляет техническое железо?
Как по микроструктуре стали можно приблизительно определить содержание углерода?
Задания для лабораторной работы № 6
Задание № 1: Ознакомиться с основными положениями теории ДСС Fe-Fe3 C.
Задание № 2: Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Освоить метод приближенного определения углерода в стали.
Задание № 3: Исследовать под микроскопом выданные микрошлифы углеродистых сталей. Определить в исследуемой стали примерное содержание углерода, по содержанию углерода - марку стали, ее механические свойства.
Задание № 4: На основании анализа микроструктуры углеродистых сталей объяснить различия в механических свойствах и их причины, указать области применения исследуемой стали.
Инструкция по выполнению заданий лабораторной работы № 6
Изучить структурные составляющие сталей, определяемые содержанием углерода.
Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Освоить метод приближенного определения углерода в стали.
Исследовать под микроскопом микрошлифы углеродистых сталей:
пользуясь альбомом микроструктуры, внимательно рассмотреть на фотографии элементы структуры феррита, перлита, цементита;
рассмотреть под микроскопом выданные шлифы для изучения структурных составляющих и зарисовать схемы рассмотренных микроструктур, относящиеся к различным классам сталей;
определить, к какому из названных классов относится каждый образец (доэвтек-тоидному, эвтектоидному, заэвтектоидному).
схемы структур зарисовать в квадратах размером 30x30 мм. При зарисовке следует не точно копировать видимые под микроскопом изображения структуры (что трудно выпол-нимо), а изображать отчетливо отмеченные особенности строения. Структурные составляющие, образующие структуру, указываются стрелкой с соответствующей надписью (перлит, феррит и т.д.). Под каждой зарисовкой микроструктуры указывается общее увеличение микроскопа, которое выбирается: для доэвтектоидных сталей в 100 - 250 раз, а все остальные образцы - под увеличением в 400 - 600 раз;
в образце доэвтектоидной стали определить содержание углерода в процентах согласно заданию;
выполнить анализ результатов наблюдений (т.е. описать зависимость механических свойств стали от ее микроструктуры и изменения концентрации углерода), указать области применения исследуемой стали.
Контрольные вопросы для защиты отчета
по лабораторной работе № 6
Что представляет собой под микроскопом структура доэвтектоидной стали?
Что представляет собой под микроскопом структура эвтектоидной стали?
Что представляет собой под микроскопом структура заэвтектоидной стали?
Указать, для изготовления каких инструментов применяется углеродистая инструментальная сталь.
Образец отчета по лабораторной работе № 6
Лабораторная работа №6
«Распознавание углеродистых сталей по микро-структуре сплава в равновесном состоянии (микроанализ сталей)»
Учебная цель: освоить методику микроскопического анализа и изучить микроструктуру углеродистых сталей.
Учебные задачи:
Изучить структурные составляющие сталей по диаграмме состояния сплавов Fe-Fe3 C, определяемые содержанием углерода.
Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Освоить метод приближенного определения углерода в стали.
Исследовать под микроскопом выданные микрошлифы углеродистых сталей.
Задание № 1: здесь нужно изобразить часть диаграммы Fe- Fe3C с содержанием углерода до 0,8% с названием структур и положением критических точек при охлаждении.
Задание № 2: здесь следует изобразить структуру доэвтектоидной стали исследуемого образца с определением концентрации углерода.
Задание № 3: описать микроструктуру исследуемой стали, определить в исследуемой стали примерное содержание углерода, по содержанию углерода - марку стали, ее механические свойства.
Задание № 4: на основании анализа микроструктуры углеродистых сталей объяснить различия в механических свойствах и их причины, указать области применения исследуемой стали.
Форма отчета
Описание микроструктур углеродистых сталей
(равновесное состояние)
Таблица 9
№ п/п
|
Наименование сплава
|
Марка cтали %С
|
Структурные составляющие
|
Микро
структу
ра
|
1
|
Техническое железо
|
|
Светлые полиэдры феррита, разной травимости.
|
|
2
|
Малоуглеродистая сталь (доэвтектоидная).
|
10 0,08-0,12
|
Светлые полиэдры феррита разной травимости. Островки перлита между зернами феррита.
|
|
3
|
Малоуглеродистая сталь (доэвтектоидная).
|
20 0,18-0,22
|
Светлые зерна феррита и темный перлит.
|
|
4
|
Среднеуглеродистая сталь (доэвтектоидная).
|
45
|
Светлые зерна феррита и темный перлит.
|
|
5
|
Среднеуглеродистая
сталь (доэвтектоидная).
|
50 0,45-0,55
|
Феррит и перлит. Зерна феррита дают представление о грубой сетке вокруг перлита очень тонкого строения.
|
|
6
|
Инструментал ь н ая сталь (доэвтектоидная).
|
У8
0,75-0.84
|
Сплошная перлитная структура. Местами перлит носит пластинчатый характер, местами зернистый.
|
|
7
|
Инструментальная сталь (заэвтектоидная).
|
У10 0.95-1,09
|
Очень тонкая цементитная сетка (блестящая) на фоне мелкопластинчатого перлита.
|
|
8
|
Инструментальная сталь (заэвтектоидная).
|
У12 1,15-1,24
|
Темные зерна пластинчатого перлита окружены тонкой светлой непрерывной сеткой вторичного цементита
|
|
Механические свойства и область применения качественной конструкционной машиностроительной стали
по ГОСТ 1050 - 74
Таблица 10
Марка
|
Предел
прочности
при
растяжен.
|
Относит.
удлинение
|
Твердость
НВ
|
Область применения
|
|
05
|
|
|
|
Низкоуглеродистые высокой пластичности (марки с 05 до 10)
|
08
|
33
|
33
|
131
|
10
|
34
|
31
|
143
|
15
|
38
|
27
|
149
|
Низкоуглеродистые подверженные цементации (марки с 15 до 25).
|
20
|
42
|
25
|
163
|
25
|
46
|
23
|
170
|
Звездочки, ролики цепей, оси и др.
|
30
35
|
50
54
|
21
20
|
179
207
|
Среднеуглеродистые подверженные
улучшению (марки с 30 до 55). Валики, шайбы,
оси, гайки.
|
|
40
45
|
58
61
|
19
16
|
217
229
|
Валы цилиндрические и коленчатые, шатуны, шестерни, шпинделя и др. де тали.
|
|
50
55
|
64
66
|
14
13
|
241
255
|
Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца и др.
|
|
60
|
69
|
12
|
255
|
Высокоуглеродистые (марки от 60 до 65).
|
65
|
71
|
10
|
255
|
70
|
73
|
9
|
269
|
75
|
100
|
7
|
285
|
80
|
101
|
6
|
285
|
60Г 65Г
|
71
|
11
|
269
|
70Г
|
80
|
8
|
285
|
Основные свойства и область применения инструментальных
углеродистых сталей по ГОСТ 1435 - 74
Таблица 11
Марка
|
С%
|
Мn%
|
Si%
|
Сr.%
|
Область применения
|
У7;У7А
У8;У8А
|
0,65-
-0,75
|
0,20-
-0,40
|
0.15
-0,35
|
до 0,20
|
Инструмент, подверженный действию
ударных нагрузок. Зубила, молотки, клейма, стамески, топоры, ножницы по металлу, центры токарных станков.
|
У9;У9А
У10;У10А
|
0,95-
-1,04
|
0,15-
-0,35
|
0,15-
-0,35
|
до 0,20
|
Инструмент, не подверженный толчкам и
ударам: развертки, плашки, калибры, фасонные штампы.
|
У11;У11А
У12;У12А
|
1,05-
-1,04 1,15-1,24
|
0,15-
-0,35
|
0,15-
-0,35
|
до 0,20
|
Инструмент, работающий при спокойной
нагрузке и требующий высокой твердости. Напильники, метчики, сверла, развертки.
|
У13;У13А
|
1,25-
|
0,15-
|
0,15
|
до 0,20
|
Инструмент очень высокой твердости.
|
|
-1,35
|
-0,30
|
-0,30
|
|
Бритвы, напильники, волочильный инструмент, косы и др.
|
Тема № 2.3 «Управление свойствами металлических сплавов через изменение их структуры. Основы термообработки»
|
