Микроструктура и твердость сталей с различным

содержанием углерода

Травитель…

Увеличение…

Микроструктура:

 

техническое железо…
доэвтектоидная сталь, С < 0,8 %	С = …%	С = …%
эвтектоидная сталь, С = 0,8 %
заэвтектоидная сталь, С > 0,8 %	С = … %

(Около каждой зарисовки указать стрелками структурные составляющие, дать им определение, указать цвет, форму и расположения).

Значение твердости образцов стали с различным содержанием углерода занести в таблицу 4.1 и построить график зависимости твердости НRB от содержания углерода С, % (рисунок 4.4).

 

Таблица 4.1 - Твердость образцов

стали с различным содержанием

углерода

№ обр.	Содержание углерода С, %	Твердость НRB
			ср.

 

Рисунок 4.4 – График

зависимости твердости НRB

от содержания углерода С

 

 

Определение марки стали по структуре

Образец № Площадь: перлита Fп = … феррита Fф = … Содержание углерода: С = … Марка стали … Структурная группа … Назначение стали …
Образец № Площадь: перлита Fп = … феррита Fф = … Содержание углерода: С = … Марка стали … Структурная группа … Назначение стали …

4.4.3 Формированиеструктурывсталях

Изобразить левый нижний (стальной) угол диаграммы состояния «железо – углерод» (рисунок 4.5). Провести ординаты сплавов (см. варианты заданий в таблице В.1), указать критические точки, описать, как формируется структура стали при охлаждении (приложение В).

 

 

 

Рисунок 4.5 – Формирование структуры в сталях

 

Анализ полученных результатов и выводы

Указать, как и почему углерод (см. п. 4.4.1) влияет на структуру и твердость стали.

 

4.5 Контрольные вопросы

 

1. Какие фазы в твердом состоянии образуются в железоуглеродистых сплавах? Дайте их определение.

2. Какие структурные составляющие возникают в сталях? Дайте их определение, укажите температурные и концентрационные условия их образования.

3. На какие группы по структуре делятся углеродистые стали? Как влияет углерод на структуру и свойства сталей?

4. Определите содержание углерода и марку стали по известному отношению между перлитом и ферритом, указанному в таблице:

 

Fп: Fф	1:4	1:1	3:5	7:1	7:3	6:5
содержание углерода, %
марка стали

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

 

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

 

Цель работы: изучить микроструктуру чугунов различных видов.

 

Теоретические сведения

 

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) или в свободном (в виде графита). Количество графита и образующаяся металлическая основа чугунов зависит от графитизации, а форма графитовых включений зависит от способа производства. Различают чугуны по металлической основе и форме графитовых включений.

Белый чугун. В белом чугуне весь углерод присутствует в виде цементита, поэтому он хрупок, твёрд и не применяется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин.

Структура белого чугуна зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме состояния «железо – цементит» (рисунок 5.1). По структуре белые чугуны делятся на три группы:

а) доэвтектические чугуны содержат углерода от 2 (точка Е диаграммы состояния) до 4,3 % (точка С), имеют структуру: перлит, цементит вторичный и ледебурит.

Перлит (ферритно-цементитная смесь) содержит ~ 0,8 % С, является продуктом эвтектоидного распада аустенита (А) по линии PSK. Зёрна аустенита образовались при кристаллизации жидкости на ли-нии BC.

Цементит (вторичный) выделяется из аустенита в интервале температур 1147 – 727 ^оС (линии ECF – PSK) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените от 2 % при 1147 ^оС до 0,8 % при 727 ^оС.

Ледебурит – продукт эвтектической кристаллизации жидкости при 1147 ^оС, когда жидкость переходит в аустенитно-цементитную смесь.

В интервале температур 1147 – 727 ^оС ледебурит представляет собой смесь аустенита и цементита. При температуре ниже 727 ^оС (линия PSK) ледебурит состоит из смеси перлита и цементита, так как на линии PSK аустенит превращается в перлит. Схематично фазовые и структурные превращения в белых чугунах представлены на рисун-
ке 5.1, б, а изображение их структур – на рисунке 5.2;

а – общий вид диаграммы состояния «железо – цементит»; б – кривая охлаждения сплава I. Рисунок 5.1 – Диаграмма состояния «железо – углерод»

б) эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода, структура – ледебурит. Других структурных составляющих нет, так как вся жидкость в этом чугуне имеет эвтектический состав (сплав II – рисунок 5.1) и кристаллизуется с образованием ледебурита;

в) заэвтектические чугуны содержат от 4,3 до 6,67 % углерода, структура – цементит первичный и ледебурит. Цементит первичный выделяется из жидкости в интервале температур Т₅®Т₆ (рисунок 5.1 – сплав III) в виде светлых пластин прямоугольной формы (ри-
сунок 5.2).

Ледебурит, как и в предыдущих сплавах, образуется при кристаллизации жидкости на линии ECF (точка 6 для сплава III).

 

 

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун;

в – заэвтектический белый чугун;

л – ледебурит; п – перлит; ц – цементит.

 

Рисунок 5.2 – Микроструктура ( 240) белого чугуна

и схема её зарисовки (справа)

 

 

Серый чугун (2,5 – 3,8 % С). В этих чугунах углерод весь или частично присутствует в виде графита, который имеет пластинчатую форму (рисунок 5.3, а). Форма графитовых включений хорошо видна на полированной нетравленой поверхности шлифа. Графит получается при распаде цементита (первичного, вторичного или эвтектоидного). Образованию графита способствуют медленное охлаждение жидкого чугуна и кремний, присутствующий в чугуне (1,5 – 3,0 %). Металлическая основа серого чугуна зависит от степени графитизации.

 

а – пластинчатая; б – шаровидная; в – хлопьевидная.

 

Рисунок 5.3 – Форма включений графита в чугунах – микрофотографии

и схемы зарисовки

 

По металлической основе серый чугун бывает следующих групп:

а) ферритный – весь углерод присутствует в виде графита. Структура – феррит и графит (рисунок 5.4, а);

б) перлитный; из общего количества углерода около 0,8 % остаётся в связанном состоянии, а остальной графитизирован. Получается такой чугун в том случае, если графитизации подвергается только первичный и вторичный цементит, а цементит перлита не распадается. Структура – перлит и включения графита (рисунок 5.4, в);

в) ферритно - перлитный. Из общего количества углерода менее 0,8 % находится в связанном состоянии в виде цементита, а остальной – в виде графита (рисунок 5.4, б).

Получается такой чугун вследствие распада всего первичного и вторичного цементита и частично распада эвтектоидного цементита, входящего в перлит. Структура – феррит, перлит и графит. Количество связанного углерода (С_связ) можно определить по отношению площадей, приходящихся на ферритные и перлитные зёрна.

 

,

где F_П, F_ф – площади перлитных и ферритных зёрен соответственно в % или частях к общей площади шлифа.

Высокопрочный чугун (2,5 – 3,5 % С) отличается от обычного серого чугуна формой графитных включений. Получают его путём модифицирования серого чугуна магнием. Магний способствует образованию графита шаровидной (глобулярной) формы (рисунок 5.3, б), что повышает механическую прочность чугуна. По металлической основе высокопрочный чугун может быть, как и серый, ферритным (ВЧ40-10), ферритно-перлитным (ВЧ45-5) и перлитным (ВЧ60-2) (рисунок 5.4, ж – и).

Ковкий чугун (2,5 – 3 % С) отличается хлопьевидной формой графитовых включений (см. рисунок 5.3, в). Такой чугун получают путём специальной термической обработки (графитизирующего отжига) отливок из белого чугуна. Отжиг проводят при 950 ^оС (первая стадия) и 720 ^оС (вторая стадия). В процессе выдержек цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы (графит отжига). По металлической основе ковкий чугун также может быть ферритным (КЧ 35-10), перлитным (КЧ 60-3) и ферритно-перлитным (КЧ40-5) (рисунок 5.4, г – е).

 

 

а, б, в – серый чугун; г, д, е – ковкий чугун; ж, з, и – высокопрочный чугун.

 

Рисунок 5.4 – Микроструктуры различных чугунов

и схемы их зарисовки

Итак, по форме графитовых включений чугун делят на серый, ковкий и высокопрочный. Форма графитовых включений зависит от способа производства. По металлической основе чугуны делят на ферритные, перлитные, ферритно-перлитные. Металлическая основа зависит от степени графитизации чугуна.

 

 

Материалы и принадлежности

 

· Коллекция микрошлифов различных видов чугунов и контрольные образцы.

· Фотографии микроструктур и схемы их зарисовок.

· Микроскопы.

 

 

Порядок выполнения работы

 

5.3.1 Просмотреть коллекцию микрошлифов различных марок чугунов, сравнить структуру с прилагаемыми микрофотографиями. Обратить внимание на цвет, форму, размер отдельных структурных составляющих.

5.3.2 В кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм зарисовать микроструктуры различных видов чугунов (отдельные структурные составляющие указать стрелками, а справа от микроструктуры дать описание видимого в микроскоп изображения). Указать, какую форму включений графита имеет серый, высокопрочный и ковкий чугун, и как её получить. Указать, какую металлическую основу могут иметь чугуны (серые, ковкие и высокопрочные).

5.3.3 Изучить структуру двух контрольных образцов. По структуре определить вид чугуна (белый, серый, и т.д.) и его металлическую основу.

 

Оформление отчета