Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Технологический институт
Кафедра «Материаловедение и ТКМ»
МИКРОСТРУКТУРА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Методические указания
к проведению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение»
для студентов всех специальностей
очной и заочной форм обучения
Тюмень 2005
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Технологический институт
Кафедра «Материаловедение и ТКМ»
Микроструктура железоуглеродистых сплавов
Методические указания
к проведению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение»
для студентов всех специальностей
очной и заочной форм обучения
|
Председатель РИС _______________Перевощиков С.И. Подпись и контактные телефоны авторов: __________________ __________________ |
Зам. директора по учебно-методической работе __________________И.Г. Калинина «___» ___________________2005г. Зав. кафедрой ___________ И.М. Ковенский Председатель методической комиссии ________________________А.В. Смирнов «___» ___________________2005г. |
Тюмень 2005
Утверждено редакционно-издательским советом
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: ст.преподаватель Прожерин А.Е.
доцент, к.т.н., доцент Теплоухов О.Ю.
© государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Тюменский государственный нефтегазовый университет" 2005г.
2
СТРУКТУРА СТАЛЕЙ
Цель работы: изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном
(отожженном) состоянии.
Задачи: построить графики охлаждения сталей с различным содержанием
углерода и пояснить все структурные изменения, происходящие при
этом; зарисовать структуру сталей, расшифровать её и указать
примерную область применения.
Оборудование и материалы:
Микроскопы металлографические;
Шлифы углеродистых сталей.
ВВЕДЕНИЕ
Углеродистые стали, являются сплавами на основе железа содержащими до 2,14% углерода. Углерод может ограниченно растворяться в железе. Растворимость углерода в железе зависит от температуры и типа кристаллической решетки железа. Структура сталей в равновесном состоянии зависит от содержания углерода и может быть определена по диаграмме состояния ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД.
Железо Цементит
Рисунок 1 – Диаграмма железо-цементит
3
Растворимость углерода в Feα ограничена линией PQ и не превышает 0,02% даже при 727ºС (ограниченный твердый раствор углерода в Feα называют ферритом). Основная доля углерода в сталях присутствует в виде карбида железа Fe3C (цементита).
При содержании углерода 0,8% структура стали в равновесном состоянии состоит из перлита, представляющего собой гетерогенную смесь феррита и цементита, образовавшуюся в результате эвтектоидного превращения аустенита. Если аустенит был однородным по составу, то перлит имеет пластинчатое строение, а если температура нагрева была недостаточно высокой, и аустенит остался неоднородным по составу, то выделяющиеся при эвтектоидном превращении частицы цементита могут приобрести округлую зернистую форму. Перлит с таким цементитом называют зернистым.
В результате травления шлифа спиртовым раствором азотной кислоты зёрна феррита и цементита остаются светлыми, а колонии перлита становятся темными. Такая окраска перлита создаётся благодаря тому, что в дисперсной структуре перлита очень велика поверхность границ между двумя фазами ферритом и цементитом. В среде электролита, которым является раствор кислоты, эти фазы образуют микрогальваническую пару и фаза-анод (в этом случае – феррит) растворяется быстрее. На перлите образуется большое количество канавок, на которых происходит интерференция света или рассеяние. При больших увеличениях можно различить в колониях перлита отдельные пластинки феррита и цементита.
По отношению к эвтектоидной концентрации углеродистые стали делят на доэвтектоидные, содержащие не более 0,79%С, эвтектоидную с содержанием углерода 0,80% и заэвтектоидные, содержащие углерода более 0,81%.При этом стали, содержащие до 0,02%С называют техническим железом.
Структура технического железа представляет относительно равноосные зёрна, разделенные тонкими, тёмными границами. Отдельные зёрна феррита при наблюдении под микроскопом выглядят немного темнее остальных. Различная окраска зерен феррита объясняется проявлением анизотропии химических свойств кристаллов, по- разному ориентированных относительно плоскости шлифа. Если содержание углерода превышает 0,006%,то в структуре технического железа можно наблюдать выделения третичного цементита, которые располагаются либо по границам зерен феррита в виде тонких прослоек, либо внутри зерен в виде мельчайших кристаллитов. Феррит является мягкой и пластичной фазой, а цементит - тверд и хрупок. Поэтому его присутствие уменьшает пластичность железа и малоуглеродистых сталей.
В сталях, содержащих углерода более 0,02%, в процессе отжига формируются колонии перлита.
4
Количество перлита зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем больше доля перлита и меньше доля феррита.
Используя микроскоп, можно в доэвтектоидной углеродистой отожженной стали определить количество углерода. Для этого нужно определить долю площади шлифа занимаемую перлитом. Если пренебречь малой растворимостью углерода в феррите (0,006%) и считать, что весь углерод стали сосредоточен в перлите, то можно вычислить содержание углерода по формуле: Хс=0,8×Nп, где Хс - содержание углерода в стали в процентах, Nп - доля площади шлифа, занятой колониями перлита.
В заэвтектоидных сталях при отжиге эвтектоидному превращению предшествует выделение из кристаллитов аустенита избыточного углерода. Выделяясь из аустенита, углерод в присутствии железа образует цементит (карбид железа), который, располагаясь между зёрнами аустенита, образует оболочку, разделяющую их (зерна аустенита). В плоскости шлифа такая оболочка выглядит в виде сетки. Цементит, выделившийся при охлаждении аустенита в заэвтектоидных сталях называют вторичным. Выделения цементита вторичного по границам колоний перлита в виде оболочки (сетки) делает сталь хрупкой и не пригодной для использования. Поэтому в практике заэвтектоидные стали обрабатывают на зернистый перлит (с зернистым цементитом), имеющий более высокую вязкость.
Промышленные углеродистые стали кроме железа и углерода содержат также некоторые элементы, называемые примесями, которые попадают в сталь из шихты, из топлива или в виде технологических добавок и от которых не удаётся избавиться полностью. Часть примесей растворяется в феррите (Si, Mn, P), а часть присутствует в виде неметаллических включений (SiO2, MnS, Al2O3). Наличие примесей тоже может повлиять на структуру сталей. Иногда они способствуют строчечному расположению феррита и перлита.
Порядок проведения работы.
5
Требования к отчёту
Отчет должен содержать:
Контрольные вопросы:
Литература
Приложение
Схемы структур углеродистых сталей
Техническое железо
|
Феррит |
Феррит Цементит третичный |
|
6 |
Доэвтектоидные стали
|
Строчечное расположение феррита и перлита в доэвтектоидной горячекатаной стали |
||
|
феррит и перлит |
перлит строчка неметаллических включений в феррите феррит |
Перлит в эвтектоидной стали
|
Строение пластинчатое. Пластинки цементита чередуются с пластинками феррита |
Перлит зернистый. Зёрна цементита на фоне феррита |
Структура заэвтектоидной стали
|
Перлит пластинчатый с цементитной « сеткой» |
7
структура чугунов
Цель работы: изучить микроструктуру чугунов.
Задачи:
Оборудование и материалы:
Микроскоп металлографический;
Микрошлифы чугунов.
Введение
Чугуны представляют сплавы железа и углерода и отличаются от сталей более высоким содержанием углерода.
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых может содержаться от 2,14 (точка Е на диаграмме железо – углерод) до 6,67 % С (при такой концентрации образуется карбид железа – цементит). В чугунах при первичной кристаллизации возможно протекание эвтектической реакции при температуре 1147оС. Поэтому чугуны обладают хорошей жидкотекучестью и используются как литейный материал.
Классификация чугунов
Чугуны можно классифицировать по различным признакам:
По содержанию углерода чугуны делят на доэвтектические содержащие от 2,14 до 4,3%С, эвтектический, в котором углерода содержится 4,3% и заэвтектические, содержащие углерода более 4,3%.
Углерод в чугунах может находиться как в свободном состоянии – в виде графита, так и в связанном – в виде цементита. Выделение углерода в виде графита называют графитизацией. По состоянию углерода чугуны делят на белые и графитизированные.
В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии – в виде
8
цементита Fe3C. Наличие большого количества цементита и отсутствие выделений графита делают излом таких чугунов светлым как у стали, поэтому они и получили название белые. Структура эвтектического белого чугуна состоит из эвтектики, называемой в честь немецкого учёного Ледебура ледебуритом. Ледебурит в момент образования представляет гетерогенную смесь аустенита и цементита, в которой цементит является матричной фазой. При охлаждении ниже температуры эвтектоидного превращения аустенит преобразуется в перлит. Таким образом, при комнатной температуре ледебурит представляет смесь колоний перлита и цементита. Под микроскопом он выглядит в виде множества тёмных пятен перлита на светлом фоне цементита.
В структуре доэвтектического белого чугуна кроме ледебурита присутствуют весьма крупные колонии перлита, образовавшиеся на месте кристаллов аустенита, выделение которых предшествовало эвтектической реакции. В расположении этих крупных перлитных колоний можно заметить некоторую закономерность, свидетельствующую о дендритном строении первичных кристаллов аустенита.
|
Доэвтектический белый чугун |
|
|
Эвтектический белый чугун. Ледебурит (перлит в цементите) |
|
|
Заэвтектический белый чугун. Цементит первичный и ледебурит |
Рисунок 1 – Схемы структур белых чугунов
9
Рисунок 2 - Микроструктура доэвтектического белого чугуна
В отличие от доэвтектического в заэвтектическом белом чугуне на фоне ледебурита наблюдаются крупные светлые кристаллиты цементита первичного, имеющие обычно игольчатую форму.
Темные участки- это перлит. Светлый фон – цементит. Крупные колонии перлита окружены цементитом вторичным, который выделился из зёрен аустенита в процессе охлаждения в интервале от 1147оС до 727оС. Закономерное расположение этих перлитных колоний указывает на дендритное строение кристаллитов аустенита, выделившихся из жидкой фазы при первичной кристаллизации чугуна.
Белые чугуны из-за большого количества твёрдой и хрупкой фазы – цементита тверды и хрупки, очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они для изготовления деталей машин почти не применяются.
Обычно детали машин делают из графитизированных чугунов, в которых углерода в связанном состоянии (в виде цементита) не более 0,8%.
Остальное количество углерода в графитизированных чугунах присутствует в свободном виде – в виде кристаллитов графита. При разрушении чугуна свободный углерод обнажается в изломах и придаёт им серую матовую окраску, устраняет металлический блеск. Поэтому графитизированные чугуны получили название – серые.
Кристаллиты графита в графитизированных чугунах могут иметь различную геометрическую форму: пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную. Металлическая основа чугунов тоже бывает различной: перлитной, перлитно-ферритной и ферритной.
Структура металлической основы, форма выделений графита, его количество размеры и расположение оказывают большое влияние на свойства чугуна. С увеличением доли перлита в металлической основе возрастают твердость, износостойкость, прочность, снижается пластичность.
10
Формой графита в большей степени определяются показатели пластичности. Схемы различных структур графитизированных чугунов представлены на рисунке 3.
|
Металлическая основа |
Форма графитных включений |
||||
|
Пластинчатая |
Вермикулярная |
Хлопьевидная |
Шаровидная |
||
|
Феррит |
твердость |
||||
|
Феррит + перлит |
|||||
|
Перлит |
|||||
|
направление возрастания пластичности |
Рисунок 3 - Схемы структур графитизированных чугунов
Для деталей машин используют обычно доэвтектические графитизированные чугуны, в которых количество углерода в виде карбида Fe3C (цементита) находится не более 0,8%. Остальное количество углерода в них находится в виде свободного графита. Свободный углерод обнажается в изломах и придает им серую матовую окраску, поэтому такие чугуны называют серыми.
Формирование структуры чугуна существенно зависит от химического состава и скорости охлаждения.
Для образования зародышей цементита требуется меньше энергии, чем для образования зародышей графита. Поэтому в обычных условиях, несмотря на то, что графит является более устойчивой фазой, чем цементит, при первичной кристаллизации из жидкого чугуна выделяется эвтектика ледебуритная (смесь аустенита с цементитом), а не графитная (аустенит +графит).
Технические чугуны в своем составе кроме железа и углерода содержит 1-2% кремния, а так же марганец, серу и фосфор. Наличие кремния и снижение скорости охлаждения облегчают процесс графитизации.
11
Металлическая основа графитизированных чугунов после эвтектоидного превращения состоит из феррита и перлита в разных пропорциях и может быть перлитной, ферритно–перлитной, или только ферритной (рисунок 3).
Графит хрупок и непрочен и, присутствуя в чугуне, ослабляет его металлическую основу. Его включения можно рассматривать как пустоты, вблизи которых в металлической основе под нагрузкой происходит концентрация напряжений. Эта концентрация определяется геометрической формой дефектов – графитовых включений и может быть количественно оценена коэффициентом концентрации напряжений
k;
l – длина дефекта (наибольший размер);
r – радиус закругления в вершине дефекта.
Кристаллы графита в чугунах могут иметь, в зависимость от условий образования, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную форму. Форма выделений графита, его количество, размеры и расположение, а также строение металлической основы оказывают большое влияние на свойства чугунов. Показатели прочности, твердость, износостойкость возрастают с увеличением доли перлита в металлической основе, а показатели пластичности определяются главным образом формой графитовых включений.
По форме графитовых кристаллитов чугуны разделяются на серые, ковкие, высокопрочные и чугуны с вермикулярным графитом. В обычных серых чугунах графит выделяется при первичной кристаллизации отливок при их медленном охлаждении. Выделения графита вырастают в окружении жидкой фазы и приобретают форму искривленных пластинок. На фотографии структуры они выглядят в виде длинных криволинейных темных полос.
Пластинчатые выделения ослабляют чугун в наибольшей степени. Чугун с такими выделениями даже при пластичной ферритной основе разрушается хрупко. Относительное удлинение после разрушения около 0,5%. Особенно ослабленным оказывается чугун, в котором выделения
графита образуют замкнутый скелет. Серые чугуны технологичнее и дешевле сталей, поэтому широко используются для изготовления многих деталей, особенно для испытывающих при эксплуатации сжимающие нагрузки.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок со структурой белого чугуна. При отжиге цементит Fe3C разлагается на Fe и C и выделяющийся графит приобретает компактную хлопьевидную форму. Чугун с таким графитом проявляет пластичность (относительное удлинение от 2 до 12%) и применяется для тонкостенных деталей подвергаемых даже динамическим нагрузкам.
12
Еще компактней выделения графита в высокопрочных чугунах, в которых, используя модифицирование церием или магнием, удается получить непосредственно при первичной кристаллизации шарообразные кристаллиты графита. Высокопрочный чугун широко используется взамен литых стальных заготовок, особенно для деталей сложной конфигурации.
Половинчатые чугуны. Половинчатыми называют графитизированные чугуны, в которых наряду с графитом присутствуют признаки ледебурита или цементита вторичного, рисунок 4. В этом случае количество углероды в связанном состоянии превышает 0,8%.
Рисунок 4 - Чугун половинчатый
(На светло-сером фоне металлической основы черные выделения глобулярного графита и светлые продолговатые кристаллиты цементита. Шлиф не травлен)
Половинчатые чугуны более твердые и износостойкие, но и более хрупкие, чем перлитные серые. Они трудно обрабатываются лезвийным инструментом и применяются лишь в особых случаях. Чаще половинчатость расценивается как литейный брак.
В технических чугунах с повышенным содержанием фосфора может наблюдаться фосфидная эвтектика Fe3P-Fe, располагающаяся обычно в виде небольших островков между колониями перлита. Фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна и повышает его износостойкость.
Чугун с вермикулярным графитом, получают благодаря регламентированному модифицированию силикокалицием, церием, магнием или магнийцериевой и другими лигатурами. В результате выделения графита приобретают червеобразную (вермикулярную) форму. Вермикулярный графит отличается от пластинчатого меньшей степенью неравномерности, меньшими размерами и округлой формой кромок.
13
По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным.
Специальные чугуны. Для придания чугунным деталям более высоких механических свойств используют чугуны, легированные хромом, никелем, ванадием и другими элементами. Легирование в сочетании с термической обработкой расширяет рамки изменения структуры и свойств чугунов и области применения этих технологичных сплавов.
Порядок проведения работы:
Контрольные вопросы:
14
Содержание отчета:
Литература
15
Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения
Составители: ст. преподаватель Прожерин А.Е.
доцент, к.т.н., доцент Теплоухов О.Ю.
Подписано к печати Бум. писч. № 1
Заказ № Уч. – изд. л.
Формат 60/90 1/16 Усл. печ. л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж_________экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625039, Тюмень, ул. Киевская, 52
16