Изучение структуры углеродистых сталей и графитных чугунов

Лабораторная  работа №2

«Изучение структуры  углеродистых сталей и графитных  чугунов»

1. Цель работы: ознакомление с назначением, сущностью и методикой проведения макроскопического и микроскопического анализа структуры металлов и сплавов.

2. Теоретические  основы:

Сущность микроструктурного  анализа

    Микроскопическим структурным анализом (микроанализом) называется метод исследования структуры металлов и сплавов с помощью оптического или электронного микроскопа. Внутреннее строение, или структура металлов, изучаемая при помощи микроскопа, называется микроструктурой. Между микроструктурой и свойствами металлов и сплавов существуют прямая качественная и количественная зависимость.

    Изучение микроструктуры производят на специально подготовленных для микроанализа образцах, называемых микрошлифами (в отличие от макрошлифов, размеры ограничены). Стандартным размером считается микрошлиф с площадью сечения 1 см².

   Образцы должны правильно характеризовать свойства изучаемого металла, поэтому их отбор производится в соответствии с задачей исследования.

   Особенности микроструктуры могут выявляться как на отполированных микрошлифах непосредственно после их приготовления, так и после травления.  Разрешающая возможность микроструктурного анализа на нетравленых шлифах основана на различии отдельных структурных составляющих по цвету и физическим свойствам. Таким образом, в сталях выявляются неметаллические включения, в сером чугуне – включения графита. Несравненно большую информацию дает исследование микроструктуры с применением травления.

 

Краткая характеристика основных структурных составляющих стали

   Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14 %.

Стали промышленного  производства по химическому  составу  делятся на углеродистые и легированные.

   Углеродистые стали кроме железа и углерода содержат постоянные примеси. Основными постоянными примесями в сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор и газы (кислород, азот, водород).

   В состав легированных сталей на этапе выплавки специально вводят дополнительные (легирующие) элементы.

   Процессы кристаллизации и структурно-фазовое состояние железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии, т.е. при очень медленном охлаждении, описываются диаграммой состояния системы «железо-углерод». Практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода 6,67%, при котором образуется химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (карбид железа, или цементит). Поэтому часть диаграммы состояния «железо-углерод» до 6,67 С называют диаграммой железо-цементит. На этой диаграмме стали занимают левую область до вертикальной линии, проходящей через точку Е, и сформирование их структуры в процессе кристаллизации определяется образованием однофазных (аустенит, феррит, цементит) и двухфазных (перлит) составляющих.

Феррит (Ф) -  твердый раствор внедрения углерода в Fe_α (кристаллическая решетка ОЦК). Однофазная область феррита существует в двух зонах. Феррит характеризуется повышенной пластичностью, невысокой твердостью (НВ=80 - 100), наличием магнитных свойств ниже температуры 768 ºС (температура точки Кюри).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ  (кристаллическая решетка ГЦК. Предельная растворимость углерода равна 2,14% и имеет место при 1147 ºС (точка Е). Аустенит немагнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость около 200 НВ.

Цементит (Ц) - химическое соединение Fe₃C с содержанием углерода 6,67 % (имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку). Обладает высокой твердостью (НВ=800) и хрупкостью, слабомагнитен.

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь связанных между собой частиц феррита и цементита. Перлит содержит 0,8% С и образуется в процессе охлаждения при температуре 727 ºС в результате распада аустенита. В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость составляет соответственно 200-220 НВ.

Особенности микроструктуры графитных чугунов

   Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов «железо-цементит» чугуны занимают область от 2,14 до 6,67% С.

   Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые и графитные чугуны. Белыми называют чугуны, в которых весь углерод в связанном состоянии в виде цементита.

   Ледебурит (Л) представляет собой смесь аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из расплава. Эвтектическое превращение с образование ледебурита происходит по схеме:

   Ледебурит имеет очень высокую твердость ~800НВ, очень хрупок, содержится только в белых чугунах.

В зависимости  от содержания углерода белые чугуны по структуре делятся на:

- эвтектические        (С=4,3%)

- доэвтектические   (от 2,14 до 4,3 % С)

- заэвтектические    (от 4,3 до 6,67% С)

 

3. Выполнение  работы:

3.1 Изучение  микроструктуры углеродистых сталей.

 

Результаты исследования микроструктуры образцов.

Таблица 1.

 

№ Образца	Микроструктура стали					Расчетное содержание углерода	Марка стали
	Эскиз	Тип сплава	Структурные составляющие
1.		доэфтектоидный	50	50		0.4	35
2.		доэфтектоидный	35		65	0.52	55

 

3.2. Изучение  микроструктуры графитных чугунов:

Таблица 2.

 

№ образца	Микроструктура чугуна		Вид чугуна
	Форма графитных включений	Структура металлической основы
(сегмент)	Пластинчатая	Ферритно-перлитная	Серый
(дуговой сегмент)	Пластинчатая	Перлитно-ферритная	Серый
(цилиндрик)	Глобулярная (шаровидная)	Перлитно-ферритная	высокопрактичный

 

4. Вывод: 

  В данной лабораторной работе был изучен метод микроструктурного анализа. В первой части лабораторной работы, посвященной сталям, с помощью микрошлифов  (цилиндрик и сегмент), был определен тип сплава, структурные составляющие и марку стали.

   Во второй части, связанной с изучением чугуна, была рассмотрена форма графитных включений, также после травления азотной кислотой наблюдали за изменением фона:

1. Потускнеет, появятся границы зерен, но фон светлый – структура ферритная
2. И светлые и темные поля – феррит + перлит
3. Фон темный полостью – перлитная.

   После этого был определен вид чугуна.