Материал: микроструктурный анализ (1)

ВВЕДЕНИЕ

Железоуглеродистые сплавы получили широкое распространение в промышленности, особенно в транспортном машиностроении. Данные сплавы характеризуются высокими технологическими свойствами, доступны по цене и надежны в эксплуатации.

Наибольшее применение получил сплав, называемый сталью, – сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали не должно превышать 2,0 %. Углерод в стали имеет вид зерен в химическом соединении с железом Fe3C, он повышает прочность стали и снижает ее пластичность. При высокой температуре сталь хорошо пластически деформируется, поэтому изделия из нее получают прокаткой, ковкой, штамповкой и другими методами обработки давлением.

Вторая группа железоуглеродистых сплавов получила название чугуна – сплав железа с углеродом, где содержание углерода ‒ более 2,0 %. В промышленности и на железнодорожном транспорте получили распространение детали, изготовленные из серого чугуна, который отличается от стали наличием в своей структуре графитных включений – микроскопических пор, заполненных свободным углеродом в виде графита. Чугун легко обрабатывается резанием на металлорежущих станках, имеет хорошие антифрикционные и литейные свойства, поэтому все изделия из чугуна получают литьем – заливкой жидкого металла в литейные формы.

Структура (строение) сплава определяет его свойства и, соответственно, применение, поэтому микроструктурный анализ имеет большое практическое значение при оценке качества сплавов, а также обязательно используется при установлении причин разрушения деталей в эксплуатации.

Цель данного издания – помочь студентам в изучении микроструктуры железоуглеродистых сплавов, в определении по микроструктуре сплава примерного содержания углерода в стали и марки стали; в изучении классификации, маркировки, особенностей получения чугунов и области их применения в машиностроении.

5

Лабораторная работа 1

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Ц е л ь р а б о т ы: изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии; определить по микроструктуре примерное содержание углерода и марку стали.

1.1. Общие сведения

Микроструктура – строение металла, видимое при большом увеличении (более 70-кратного) с помощью металлографического микроскопа, который позволяет рассматривать непрозрачные объекты в отраженных от их поверхности лучах света и этим отличается от микроскопа биологического.

Для проведения микроанализа из металла вырезают небольшой образец – микрошлиф, одну плоскость которого, для обеспечения высокой отражательной способности, шлифуют, затем полируют до зеркального состояния. Структура проявляется протравливанием поверхности шлифа каким-либо химическим реактивом (для железоуглеродистых сплавов – 3 – 5 % – ным спиртовым раствором азотной кислоты). Под влиянием этого реактива полированная поверхность зерен феррита и цементита не окрашивается, остается светлой, а их границы растворяются интенсивней до образования углублений, рассеивающих лучи света, поэтому под микроскопом выглядят темными линиями.

В зависимости от содержания углерода может быть нескольких видов структуры углеродистых сталей после отжига: «феррит + перлит», «перлит», «перлит + цементит вторичный». Механические свойства структурных составляющих углеродистых сталей представлены в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1 Механические свойства структурных составляющих сталей

Феррит – однофазная структурная составляющая доэвтектоидных сталей – твердый раствор углерода и примесей в альфа-железе. Растворимость углерода крайне мала: 0,006 % при 0 °С (точка Q) и 0,025 % при 727 °С (точка Р), и феррит можно считать технически чистым железом (железо «армко»). Феррит не травится азотной кислотой и под микроскопом имеет вид различных по размеру и ориентировке светлых зерен с хорошо различимыми границами (рис. 1.1, а).

Перлит

Рис. 1.1. Микроструктура сталей: а – феррит ( 300); б – доэвтектоидная: Ф + П ( 150); в – эвтектоидная: П ( 1200); г – заэвтектоидная: П + ЦII ( 600)

Цементит – однофазная структурная составляющая заэвтектоидных сталей, химическое соединение – карбид железа Fe3C. Содержание углерода – 6,67 %. Цементит не травится азотной кислотой и под микроскопом выглядит в виде светлых кристаллов пластинчатой формы (рис. 1.1, в, д ).

Перлит – двухфазная составляющая, эвтектоидная смесь феррита и цементита с содержанием углерода 0,765 % (0,8 %). При увеличении в 100 – 400 раз границы фаз (феррита и цементита) в результате травления шлифа сливаются в единый фон, зерна перлита под микроскопом – темные (рис. 1.1, б). Большое увеличение позволяет наблюдать в перлите отдельные участки феррита и пластины цементита (рис. 1.1, в). Размер пластин цементита влияет на механические свойства перлита: чем мельче эти пластины, тем выше твердость и прочность перлита. Для увеличения пластичности и снижения твердости пластинчатого перлита специальным отжигом из него можно получить перлит зернистый (см. табл. 1.1).

Количество структурных составляющих в отожженной доэвтектоидной стали в зависимости от содержания в ней углерода, которое определяет ее строение и свойства, приведено в табл. 1.2.

7

Т а б л и ц а 1.2

Количество структурных составляющих в стали в зависимости от содержания в ней углерода

Соотношение площадей структурных составляющих доэвтектоидных сталей с достаточной точностью определяет содержание в них углерода. Поэтому, считая, что феррит практически не растворяет углерод (0,006 %), а перлита в структуре стали 0,8 %, можно подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, определив с помощью микроскопа количественное соотношение между структурными составляющими по площади шлифа.

Следовательно, содержание углерода, %, в доэвтектоидной стали составляет такую часть от 0,8 %, какую составляет площадь, занятая перлитом от общей площади структуры шлифа в поле зрения окуляра микроскопа:

С 0,8 П , 100

где П – количество перлита в структуре стали, %.

Подсчитав содержание углерода в стали и изучив ее структуру с помощью микроскопа, пользуясь таблицами стандартов, можно определить (ориентировочно) марку стали и ее свойства, а, следовательно, и область ее применения.

1.2. Принципы классификации углеродистых сталей

Углеродистые стали различают по следующим признакам:

1)по диаграмме состояний – доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные;

2)по структуре – «феррит + перлит», «перлит», «перлит + цементит вторичный»;

3)по содержанию углерода – низкоуглеродистые (менее 0,3 %), среднеуглеродистые (0,3 – 0,6 %) и высокоуглеродистые (0,7 % и более);

8

4)по способу выплавки – выплавленные в конверторах (конверторные), в мартеновских и электрических печах (мартеновские и электростали);

5)по способу изготовления изделий – горячекатаные (кованые) и литейные;

6)по содержанию вредных примесей (серы и фосфора) – обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными показателями для их разделения служат нормы содержания вредных примесей;

7)по степени раскисления – спокойные (сп), полуспокойные (пс), кипящие (кп). Кипящие стали содержат не более 0,07 % кремния, дешевы, хорошо поддаются холодной листовой штамповке, но по сравнению со спокойными имеют высокий порог хладноломкости, и их нельзя использовать для ответственных конструкций в условиях Сибири и севера. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит в хрупкое состояние;

8)по назначению – конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления металлоконструкций, деталей машин и должны иметь высокую конструкционную прочность (определенный комплекс механических свойств) и хорошие технологические свойства. Конструкционные стали обычно содержат не более 0,6 – 0,7 % углерода и имеют ферритно-перлитную структуру, т. е. являются сталями доэвтектоидными. Инструментальные стали, содержащие более 0,7 % углерода, должны иметь высокие твердость, прочность и износостойкость, предназначены они для изготовления инструментов. Это стали эвтектоидные и заэвтектоидные, их структура – «перлит» или «перлит + цементит вторичный».

1.3. Принципы маркировки углеродистых сталей

1.3.1. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества

В соответствии с ГОСТ 380-94 углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава, буква «Г» – марганец при его массовой доле в

9