Исследование микроструктуры углеродистых сталей.

Исследования проводятся с помощью специальных приборов. Наиболее часто для этой цели используются оптические металлографические микроскопы с кратностью увеличения 50-2000.

Микроскопическое исследование позволяет идентифицировать фазы и структурные составляющие сплава, определить размер зерен, выявить неметаллические включения, трещины и другие дефекты размером более 0,6 мкм (разрешающая способность оптического микроскопа).

Для проведения исследования изготавливается микрошлиф. Микрошлиф представляет собой образец исследуемого материала, на котором формируется плоская поверхность. Эта поверхность полируется до зеркального блеска и протравливается специальными реактивами для выявления микроструктуры. Травление углеродистых сталей чаще всего производится 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте. При травлении кислота в первую очередь воздействует на границы зерен и фаз, которые в результате травления становятся углублениями. Свет, падая на эти углубления, рассеивается, и в поле зрения микроскопа они кажутся темными. Остальные части поверхности при этом будут светлыми.

При выполнении данной лабораторной работы изучение микроструктуры производится с помощью металлографического микроскопа ЛабоМет-И1 (рис. 4.1). (Руководство по эксплуатации и описанию микроскопа выдается преподавателем).

Микрошлиф помещают на предметный столик 11 (рис. 4.1) полированной поверхностью вниз. Грубую наводку на резкость производят, поднимая или опуская предметный столик посредством рукоятки 15, наблюдая в окуляр за появлением изображения. Точную наводку на фокус осуществляют, вращая рукоятку 16 (микрометрической фокусировки).

Рис. 4.1. Металлографического микроскопа ЛабоМет-И1

 

1 – паз для установки светофильтра/поляризатора; 2 – осветитель отраженного света; 3 – рукоятка регулировки диаметра ирисовой полевой диафрагмы; 4 – винт крепления насадки; 5 – бинокулярная насадка; 6 – кольцо диоптрийного механизма перемещения окуляра; 7 – окуляры; 8 – револьверное устройство; 9 – объективы; 10 – прижим; 11 – координатный предметный столик; 12 – рукоятки перемещения столика по осям «Х» и «Y»; 13 – винт крепления декоративной заглушки; 14 – штатив; 15 – рукоятка грубой фокусировки; 16 – рукоятка микрометрической фокусировки; 17 – основание; 18 – рукоятка регулировки диаметра ирисовой апертурной диафрагмы (регулировки контраста изображения)

 

Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита (светлые включения) и перлита (темные, полосчатые включения). С увеличением содержания углерода количество феррита в структуре уменьшается, перлита – увеличивается (рис. 4.2, а, б).

 

 

Рис. 4.2. Схемы микроструктур углеродистых сталей:

а, б – доэвтектоидные; в – эвтектоидные (пластинчатый перлит);

г – заэвтектоидные

Структура эвтектоидной стали состоит из перлита. Перлит чаще имеет пластичное строение (рис. 4.2, в), т.е. зерна перлита состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Его называют пластинчатым перлитом. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение, когда на фоне феррита расположены глобулярные (шаровидные) зерна цементита.

Структура заэвтектоидной стали состоит из перлита (темные включения) и цементита вторичного (светлые участки вокруг зерен перлита в виде сетки (рис. 4.2, г). Количество цементита в стали возрастает с увеличением содержания углерода.

 

Определение содержания углерода и механических свойств

 

Определение содержания углерода и механических свойств производится на основании оценки доли площади шлифа, занимаемой структурными составляющими.

- в эвтектоидной стали

(F_п = 100%) C= 0,8%;

- в доэвтектоидных сталях содержание углерода зависит от доли перлита:

C = 0,8F_п/100, %

 

где F_п – доля площади шлифа, занятая перлитом, %.

- для заэвтектоидных сталей расчет содержания углерода по формуле:

C = (0,8F_п + 6,67F_ц)/100, %

 

где F_ц – доля площади шлифа, занимаемая цементитом, %.

Заметим, что в выпускаемых углеродистых сталях F_ц<10%.

Марка стали определяется содержанием в ней углерода с округлением расчетной величины до ближайшего стандартного значения, ориентируясь на данные таблицы приложения 1.

Расчетные значения механических свойств стали определяются по правилу академика Н.С. Курнакова, которое устанавливает связь между свойствами, составом и типом диаграммы состояния сплавов. Согласно этому правилу для сплавов – механических смесей, к которым относятся и сплавы железа с углеродом, механические свойства определяются как среднее арифметическое свойств структурных составляющих с учетом площадей, занимаемых этими составляющими.

При таком подходе механические свойства сплава могут быть определены по формулам:

, МПа,

,%,

, МПа.

Например, исследованием установлено, что в изучаемой стали F_ф = 80% и F_п=20%.

Содержание углерода в данной стали:

Известно, что конструкционные углеродистые стали выпускаются со средним содержанием углерода, кратным 0,05% (10, 15, 20…..65, 70). Следовательно, ближайшая стандартная марка исследуемого сплава будет сталь 15.

Из таблицы приложения находим регламентируемые ГОСТом механические свойства этой стали:

МПа,

Расчетные значения этих свойств:

Таким образом, расчетные значения механических свойств близки к нормируемым.

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить микроструктуру трех видов стали (доэвктоидной, эвктоидной и заэвктоидной). Зарисовать схемы изучаемых микроструктур, обозначить на них структурные составляющие.

2. Сравнением изучаемых микроструктур с эталонными (таблица приложения) определить доли площади шлифа (в %), занимаемых отдельными структурными составляющими, рассчитать содержание углерода в изучаемых сталях и определить их марки.

3. По известным значениям механических свойств структурных составляющих и их содержания определить расчетные значения σ_в^', δ^' и НВ^' и сравнить их со значениями этих показателей по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 14959-79 и ГОСТ 1435-74 (таблица приложения 1). Привести примеры применения этих сталей.

4. По результатам исследований сформулировать выводы, в которых отразить возможности микроанализа сталей.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Что такое сталь?

2. Перечислите структурные составляющие стали?

3. Дайте определения структурных составляющих сталей и охарактеризуйте их свойства.

4. Какую структуру имеют доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали?

5. Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродистые стали?

6. Как обозначить марку стали, содержащую 0,2; 0,4; 0,8; 1,2% углерода?

7. Укажите типичные марки сталей для изготовления трубопроводов, рессор, пружин и сверл.

Литература для самостоятельной работы:

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.201, 204 – 210.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5