АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ и СВЯЗИ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

Материаловедение

 

Методические указания к лабораторным работам

  для студентов всех форм обучения специальности

050717 - Теплоэнергетика

 

Алматы 2008

 

СОСТАВИТЕЛИ: Н.О.Джаманкулова. Материаловедение.

Методические указания к лабораторным работам для студентов всех

форм      обучения специальности 050717-Теплоэнергетика Алматы:

АИЭС, 2008. -37 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, общие требования к выполнению лабораторных работ, рекомендации по сбору и обработке экспериментальных данных и оформлению отчета.

Методические указания к лабораторным работам по курсу Материаловедение предназначены для студентов всех форм обучения специальности 050717 - Теплоэнергетика

1 Лабораторная  работа №1 

Определение твердости металлов  

    Цель работы - ознакомиться с одним из механических свойств металлов – твердостью, приборами для ее определения, изучить основные методы определения твердости и научиться производить испытания твердости по Бринеллю и Роквеллу. 

1.1  Общие сведения 

 Одним из важнейших механических свойств металлов является твердость– способность противодействовать при вдавливании проникновению в материал другого, более твердого материала.

  Твердость имеет качественную и количественную связь с другими механическими свойствами – прочностью, пластичностью, длительной прочностью и т.д., что позволяет определить их через твердость, т.е. неразрушающими методами. В связи с развитием неразрушающих или безобразцовых методов определения механических свойств металлов и сплавов, необходимо  более глубокое знакомство как с теоретическими принципами определения твердости, так и с практическим проведением испытаний.

 Существуют различные методы качественной и количественной оценки твердости  материалов.

         В машиностроении при определении макротвердости наиболее часто применяются методы Бринелля и Роквелла. Иногда применяется также метод Виккерса, при котором испытание на твердость производится вдавливанием в образец алмазной пирамиды с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяется число твердости НВ, МПа (кгс/мм2). 

1.2 Определение твердости по Бринеллю 

 Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в образец стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.  Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рисунке 1.1. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение нагрузки Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) – дает число твердости по Бринеллю, обозначается HB. Поверхность шарового сегмента F=πDn,

        где D – диаметр вдавливаемого шарика (мм),

               n  - глубина отпечатка, мм. 


Рисунок 1.1 - Схема определения твердости по Бринеллю

Целесообразно величину n выразить через диаметр шарика D и отпечатка d, т.к. измерять  F затруднительно     

                                 n = , мм

 

Тогда число твердости по Бринелю можно определить по формуле

                                НВ = ,  кгс/мм2

 

Чтобы не производить длительных вычислений по формуле, на практике пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости НВ. Можно пользоваться также для характеристики твердости НВ диаметром отпечатка d  без перевода в число твердости  НВ.

          Схема прибора типа ТШ для определения твердости по Бринеллю приведена на плакате в лаборатории.

          В зависимости от материала и толщины испытываемого образца выбирается диаметр шарика и нагрузка  при испытании.

          В зависимости от толщины образца применяют шарики диаметрами 10; 5 и 2,5 мм. Нагрузка Р выбирается в зависимости от качества исследуемого материала по формуле Р = КD2, где К – постоянная для данного материала величина, равная 30 для черных металлов и сплавов, 10 для твердых и 2,5 для мягких цветных металлов и сплавов. Данные по выбору диаметра шарика и нагрузки приведены в таблице 1.1.

          Перед испытанием поверхность образца обрабатывается, чтобы она была ровной и гладкой для получения правильного отпечатка с отчетливыми для измерения краями.

          Чтобы при вдавливании шарика не происходило передавливания материала, его толщина должны быть менее десятикратной глубины  отпечатка n.

 

Таблица 1.1- Выбор диаметра и нагрузки в зависимости от твердости и толщины  испытываемого образца

 

Материал

Интервал твердости,        НВ

Толщина образца,

    мм

Диаметр шарика

   D, мм

Нагрузка

Р, кгс

Время выдержки под нагрузкой, с*

Черные металлы

140-450

Более 6

6-3

менее 3

10

  5

  2,5

3000

 750

   18,5

 

10

Черные металлы

Менее 140

Более 6

6-3

Менее 6

10

  5

  2,5

3000

  750

    18,5

 

 

30

Цветные металлы

32-130

Более 6

6-3

2,5

10

  5

  2,5

1000

  250

    62,5

 

30

Цветные металлы 

8-35

Более 6

6-3

менее 3

10

  5

  2,5

250

  62,8

  15,6

 

60

* В современных приборах время выдержки устанавливается автоматически 

1.3            Проведение испытания и определение твердости по Бринеллю 

1 . Выбрать нагрузку в соответствии с испытываемым материалом по таблице 1 и установить грузы на подвеску прибора.

2 . Наконечник с шариком требуемого диаметра вставить в шпиндель и закрепить винтом.

3 . Установить по шкале время выдержки образца под определенной нагрузкой.

4 . На столике твердомера поставить испытываемый образец так, чтобы расстояние от края образца до центра отпечатка было не менее диаметра шарика.

5 . Вращением маховика поднять столик и прижать образцы к шарику до упора.

6 . Нажатием пускателя включить электродвигатель.

7 . Измерить при помощи бинокуляра полученный отпечаток и рассчитать твердость.

       Полученный отпечаток измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и диаметр определяют как среднее арифметическое двух измерений.

         Бинокуляр нижней опорной частью плотно устанавливают на поверхность образца над отпечатком в нижней части (окном) к свету.

         Поворачивая окуляр, добиваются резкости отпечатка, край его совмещают с началом шкалы и отмечают по противоположному краю отпечатка диаметр d, в соответствии с ценой деления шкалы (0,5 мм).

         Затем бинокуляр или образец поворачивают на 90°, измеряют диаметр этого же отпечатка. По среднеарифметическому значению диаметра отпечатка d по формуле или таблице определяют твердость по Бринеллю НВ.

          Для получения правильной характеристики твердости необходимо провести еще два измерения этого же образца, причем при повторных испытаниях центры средних соседних отпечатков должно находится на расстоянии  не менее двух диаметров шарика.

1.4 Определение твердости по Роквеллу 

          Испытания на твердость по Роквеллу производятся вдавливанием  в образец алмазного конуса с углом 120° или стального шарика диаметром 1,588 мм.

          Величина твердости представляет собой глубину отпечатка, получаемую от вдавливания индентора при определенной нагрузке – 60, 100 или 150 кгс. Твердость по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах. Число твердости по Роквеллу обозначается:

 НRА – при испытании алмазным конусом под нагрузкой 60 кгс, отсчет по шкале А.

НRВ – при испытании стальных шариков под нагрузкой 100 кгс, отсчет по шкале В.

НRС – при испытании алмазным конусом под нагрузкой 150 кгс, отсчет по шкале С.

Определение твердости на приборе Роквелла имеет ряд преимуществ по сравнению с определением твердости на приборах типа ТШ, т.к. испытания проводят быстро, величина твердости читается по шкале без каких-либо измерений и пересчетов, получающиеся отпечатки очень малы и не портят детали, диапазон измерений практически не ограничен.

        Схема прибора типа ТК для определения твердости по Роквеллу приведена на плакате в лаборатории. В зависимости от твердости материала выбирается индентер и нагрузка по таблице 1.2. Перед испытанием опорная и испытываемая поверхность обрабатывается с целью удаления дефектов и придания горизонтальности поверхностям плоского образца. 

1.5 Проведение испытаний и определение твердости по Роквеллу

1. Выбрать наконечник и нагрузку в соответствии с твердостью по табл.1.2

2. Установить необходимую нагрузку и закрепить наконечник винтом.

3. Установить необходимый столик в зависимости от формы образца.

4. Вращением штурвала осторожно поднять столик, чтобы образец плавно коснулся шарика или алмазного конуса. При ударе алмазный конус может расколоться.

Таблица 1.2   Выбор наконечника и нагрузки при определении твердости по Роквеллу

Примерная твердость по Бринелю

Вид наконечника

Нагрузка шкала в кгс

Шкала

Обозначе-

ние твердости

Допускае-мые  пределы измерения

60-230

Стальной шарик

100

В

НRВ

25-100

230-700

Алмазный конус

150

С

НRС

20-70

Свыше 700

Алмазный конус

60

А

НRА

70

 

 

5. После касания образца с индентором продолжают вращение штурвала, пока маленькая стрелка установится в вертикальном положении.

6. В этом случае, при отклонении большой стрелки от вертикального положения не более, чем на 2-5 делений, вращением кольца  циферблата подвести ноль черной шкалы (СиА) к большой стрелке. При большем отклонении стрелки предварительную нагрузку надо снять и испытание провести в другой точке образца.

7. Нажатием на педаль включить механизм приложения основной нагрузки, плавно опускающий  и поднимающий груз с необходимой выдержкой.

8. Прочитать по соответствующей шкале число твердости по Роквеллу, не снимая предварительной нагрузки.

9. Вращением штурвала по часовой стрелке освободить образец от действия предварительной нагрузки и повторить испытание в другой точке образца. Расстояние между отпечатками и от  края образца должно быть  не менее 2,5 мм при вдавливании конуса (шкалы С и А) и не менее 4 мм при вдавливании шарика (шкала В).

10. На каждом образце произвести не менее трех испытаний и определить твердость по Роквеллу, как их среднеарифметическое значение.

Примечание: При определении твердости по шкале В совмещение большой    стрелки производится с нулем шкалы С, а не с нулем красной шкалы В.

1.6 Составление отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Описание принципа определения твердости на приборах типа ТШ и ТК.

3. Условие выбора инденторов и нагрузки.

4. Описание выполнения замеров твердости.

5. Заполнение таблицы испытаний на твердость по Бринеллю и Роквеллу (таблицы 1.3 и 1.4).

Таблица 1.3  Испытания твердости по Бринеллю

Условия испытания (диаметр шарика и нагрузка)

        Диаметр отпечатка

  Твердость НВ

1отпечаток

2отпечаток

3отпечаток

1

2

3

Ср.

знач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Таблица 1.4  Испытания твердости по Роквеллу

   Шкала       

     Твердость HRC

       Твердость по Бринелю

1

2

3

среднее

фактически

по таблице

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 1.7    Контрольные  вопросы 

1 . Что такое  механические свойства металлов и сплавов? (пластичность,    твердость, прочность и т.д.)

2. Основные методы   определения твердости.

3. Зависимость выбора диаметра шарика и алмазного конуса от толщины         испытуемой детали и от материала.

4 . Принцип действия приборов “ТШ”, “ТК” и их принципиальное различие.

5 .  Какой параметр измеряет пресс Роквелла при определении твердости?

6 . В зависимости от какого параметра выбирается диаметр шарика?

7 . Как влияет время выдержки нагрузки на пресс Бринелля в зависимости от свойств материала и почему?

 

2 Лабораторная работа № 2 

Определение механических  свойств сталей 

Цель работы – ознакомиться  с механическими  свойствами металлов и сплавов, определяемых при испытаниях на растяжение, и научиться определять показатели прочности и пластичности на установке Ала-Тоо. 

  2.1 Общие сведения 

         Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металлов и сплавов под действием приложенных  внешних сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость и др.)

         Числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений  и деформаций при которых  происходит изменение физического и механического состояний материала, определяют по стандартным методикам. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющее по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик.

 На рисунке 2.1 приведена диаграмма растяжения металлов, записываемая на приборе  установки Ала-Тоо при испытаниях стандартных образцов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 - Диаграмма растяжения металлов

 

         Кривая на диаграмме характеризует деформацию металла под действием

напряжений, величина которых является условной, т.к. при определении напряжений сечение образца принимается неизменным (s = P/Fo ).

         Предельными  значениями прочности,  определяемыми по кривой на диаграмме растяжения, являются пределы  пропорциональности, упругости,

текучести, прочности. Кроме того, при испытании на растяжение определяются характеристики пластичности – относительное удлинение d и

относительное сужение ψ.

         Предел  пропорциональности (sпц) – напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

         Предел упругости – напряжение,  при котором остаточная деформация достигает  0,05% от первоначальной длины образца (s0,05). Нередко отождествляют  предел пропорциональности и предел упругости.

          Предел текучести  условный – напряжение, вызывающее остаточную деформацию равную 0,2% (s0,2).

          Предел прочности – напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца (sв).  Пределом прочности называют  сопротивление разрыву. Sк – истинное напряжение, при котором происходит разрушение образца.

Относительное удлинение – отношение изменения  длины образца к начальной длине.

 Относительное сужение – отношение изменения площади поперечного сечения образца к первоначальному сечению.

 

 2.2 Выполнение работы

 

        Перед началом работы необходимо тщательно ознакомиться с конструкцией  установки Ала-Тоо и с правилами эксплуатации оборудования и измерительных приборов, входящих в ее комплект.

1. Установить подготовленный к испытаниям образец в захватывающее устройство установки.

2.  Настроить систему нагружения:

а) поднять опорные площадки привода в верхнее положение. На панели пульта управления тумблеры привода нагружения оставить в положение “вверх” и нажать кнопку “Пуск”. О работе привода сигнализирует лампочка на мнемосхеме. Дойдя до микропереключателя, ограничивающего подъем опорной площадки, опорные  площадки останавливаются и лампочки гаснут;

б) установить необходимую скорость нагружения при помощи маховичка и сменной шестерни;

в) установить на подвеску груз, определяемый условиями эксперимента

г) поставить тумблеры привода нагружения в положение “вниз”.

3. Провести испытания после подготовки системы записи нагрузки и деформации, для чего необходимо:

а) поставить тумблеры “левый привод” и “правый привод” в положение “вниз”;

б) опустить перо двухкоординатного потенциометра (графопостроитель);

в) нажать кнопку “Пуск”

Остановка привода нагружения производится кнопкой “Стоп” или переводом тумблеров в нейтральное положение.

4. Определить деформацию образца в рабочей зоне путем изменения расстояния между контрольными отпечатками на образце с помощью индикатора на пульте управления.

5. Определить по диаграмме растяжения значения прочности и пластичности испытываемого материала и заполнить протокол испытания. 

 2.3 Определение  по диаграмме  растяжения нагрузки

 предела пропорциональности

 Первый способ: Провести прямую, совпадающую с прямолинейным участком кривой растяжения. Из точки, где кривая растяжения отходит от проведенной прямой линии,  провести линию, параллельную оси деформаций и на оси нагружений определить нагрузку предела пропорциональности.

         Второй способ: Провести прямую ОА, совпадающую с прямолинейным участком кривой растяжения. Через точку О провести ось ординат ОР (нагружений). Затем на произвольной высоте, но в пределах упругой области, провести прямую ВС, параллельную оси абсцисс. На прямой  ВС отложить отрезок DЕ, равный половине отрезка DF. Через точку Е и начало координат провести прямую ОМ. Нагрузка предела пропорциональности определяется точкой касания к кривой растяжения прямой HJ, проведенной параллельной прямой ОМ.

          Третий способ: После проведения прямой ОА, совпадающей с прямолинейным участком кривой растяжения и оси ординат ОР, провести в пределах упругой области произвольно выбранную прямую ВС, параллельную оси ординат. Разделить линию ВС на три равные части и через точку Е и начало координат провести прямую ОМ. Нагрузка предела пропорциональности определяется точкой касания к кривой растяжения прямой HJ, параллельной  прямой ОМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Определение  по диаграмме предела пропорциональности sпц

 

2.4 Определение по диаграмме растяжения нагрузки предела текучести

 

          Первый способ: При наличии на диаграмме растяжения площадки текучести производится на оси напряжений отсчет нагрузки физического предела текучести.

         Второй способ: Если на диаграмме растяжения нет площадки текучести, то определяют нагрузку условного предела текучести. Для этого проводится прямая ОА, совпадающая с прямолинейным участком кривой растяжения и ось ординат ОР. От точки О на оси абсцисс откладывается отрезок ОВ, величина которого равна 0.2% от длины образца, увеличенного до масштаба диаграммы растяжения (рисунок 2.3). Из точки В проводится прямая ВС, параллельная прямой ОА. Точка Д пересечения прямой ВС с кривой растяжения определит высоту ординаты, т.е. нагрузку, соответствующую условному пределу текучести.  

         

 

 

 

Рисунок 2.3 - Определение по диаграмме предела  текучести

 

  2.5 Определение  по  диаграмме растяжения нагрузки предела прочности

          Нагрузка предела прочности является максимальной и характеризуется на кривой растяжения точкой максимально удаленной от оси абсцисс. Для определения нагрузки предела прочности проводится линия, касательная к кривой растяжения и параллельно оси абсцисс, указывающая на оси нагружений  максимальную нагрузку.

 

2.6 Определение удлинения и поперечного сужения 

Для определения длины в момент разрушения  (l1) обе части образца после разрыва плотно прикладывают одну к другой и в пределах расчетной длины измеряют расстояние между метками, определяющими границы расчетной длины. Существует также способ определения с отнесением места разрыва к середине. Относительное удлинение вычисляют по формуле

 

                                                  d =, %             

 

где lи l- длина образца до и после разрушения.

При растяжении в месте разрыва образуется шейка, т.е. меняется поперечное сечение образца.

Разность между начальной  площадью поперечного сечения Fo  и площадью поперечного сечения F1 , в месте  разрыва, отнесенная к Fo дает величину относительного сужения. Начальная площадь поперечного сечения Fo   известна по данным измерения образца перед испытанием. Для определения площади поперечного сечения  в месте разрыва плоского образца F1 измеряется наименьшая толщина и наибольшая ширина.

Произведение  (аmin * bmax ) дает величину F1      

 

 


  

                                      Относительное сужение y = , %

 

 Составление отчета: 

Отчет о проведенной работе должен содержать:

1. Цель работы

2. Полученную при испытании диаграмму растяжения

3. Описание способов определения характеристик прочности и пластичности

4. Расчеты по определению sпц, , s0,2   ,    sв  , dy .

5. Выводы о полученных характеристиках испытуемого материала 

 

 2.7  Контрольные вопросы 

1. Как подразделяются механические свойства, определяемые различными способами нагружения материалов?

2. Какие прочностные характеристики определяются статическими способами нагружения?

3. Какие механические свойства материала выявляются при испытаниях на растяжение?

4. При испытании на растяжение устанавливается предел прочности sв  материала. Означает ли это, что sв  характеризует действительную прочность материала?

5. Какие характеристики определяют при динамических испытаниях материалов? 

 

3 Лабораторная работа №

Построение диаграмм состояния двойных сплавов по кривым охлажения 

Цель работы:

1. Ознакомится с теоретическими основами образования различных фаз при оплавлении металлов

2. Ознакомится с методом термического анализа

3. Изучить основные диаграммы состояния двойных сплавов

4. Построить диаграмму состояния исследуемых сплавов по кривым охлаждения.

 

 3.1 Теоретические сведения

 

 Основой изучения бинарных сплавов служит диаграмма состояния этой системы, представляющая графическое изображение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от соотношения сплавляемых компонентов и температуры. По диаграмме определяются изменения, происходящие в сплавах при различных температурах и концентрациях компонентов.

 Сплав представляет собой сложное вещество, получаемое в результате взаимодействия компонентов при охлаждении их из жидкого состояния. Компоненты сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения.

 Для построения диаграмм состояния двойных сплавов применяют координатные оси, изображенные на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1 - Оси координат, применяемые при изображении диаграмм состояния двойных сплавов.

 

         Ось абсцисс представляет собой ось концентраций и изображается в виде отрезка, длину которого принимают за 100%. Концы этого отрезка соответствуют чистым компонентам, т.е. 100% А и 100% В, если сплавы составляют компоненты А и В. Любая точка, помещенная на отрезке, делит его на части, количественно определяющие химический состав сплава. Обычно на ось концентраций наносят количество одного из компонентов, так как количество другого легко определяется по разности от 100%. Ось ординат представляет собой ось температур.

          Любая точка на диаграмме состояния является носителем определенного физического смысла, однако на диаграмму состояния переносят только те точки, которые характеризуют процессы начала кристаллизации или конца плавления, т.е. начала и конца фазовых переходов и т.д.  Некоторые линии, соединяющие эти точки, носят определенные названия. Линия, представляющая собой совокупность точек начала кристаллизации, носит название ликвидус (от латинского - жидкий). Линия, представляющая совокупность точек конца кристаллизации, носит название солидус (от латинского - твердый). Агрегатное состояние сплавов выше линии ликвидус – жидкое, ниже линии солидус – твердое.

 

         3.2 Термический анализ 

 Диаграммы состояния двойных сплавов строятся на основании данных термического анализа, с помощью которого определяют температуры фазовых превращений, происходящих в сплавах (критические точки).

 Критические точки металлов и сплавов определяют путем непрерывного наблюдения за изменением температуры сплава, охлаждаемого от расплавленного состояния до комнатной температуры. График изменения температуры сплава во времени называется кривой охлаждения.

  Если при охлаждении системы не происходит никаких превращений, сопровождающихся выделением или поглощением тепла, то температура будет непрерывно понижаться.  Графическое изображение кривой охлаждения будет иметь вид, представленный на рисунке 3.2, а. Обычно на схемах кривых охлаждения в этом случае проводится прямая линия с определенным углом наклона к оси абсцисс (см. рисунок 3.2, б).

Плавность кривой охлаждения на графике нарушается, если в системе происходит какое-либо превращение, сопровождающееся тепловым эффектом. При этом возможны два случая: отводимое тепло возмещается только частично (одновариантное превращение).

В первом случае во время протекания превращения, несмотря на отвод тепла, температура остается постоянной и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок, отвечающий температуре соответствующего превращения (см. рисунок 3.2, в.). Величина горизонтального участка кривой зависит от многих факторов, основными из которых являются теплота превращения, масса системы и скорость охлаждения.

Во втором случае выделяющееся тепло лишь изменяет плавность кривой охлаждения в области температур, соответствующих интервалу данного превращения (см. рисунок 3.2, г).

Таким образом, сущность термического анализа заключается в записи кривых охлаждения и определении температур превращений на основании изучения кривых охлаждения.

 

Рисунок 3.2 - Различные типы кривых охлаждения

 

 3.3 Фазовый и структурный состав сплавов 

 При изучении диаграмм состояния и строения сплавов необходимо различать понятия фазы и структуры. Фазой называется однородная по химическому составу, атомно-кристаллическому строению и агрегатному состоянию часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую резко изменяются те или иные свойства (химические, механические, физические и т.д.). Важными признаками фазы являются агрегатное состояние, кристаллическое строение и свойства, а не наличие поверхности раздела. Так, чистый металл в твердом состоянии состоит из большого числа зерен, отделенных друг от друга поверхностью раздела, однако все зерна рассматриваемой системы составляют одну фазу.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах, т. е. строение сплава. Структурными составляющими сплава называются обособленные частицы, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие сплавов могут состоять как из одной, так и из нескольких фаз, в частности, в двойных сплавах – из двух фаз.        В зависимости от размера рассматриваемых структурных частиц в металловедении различают макроструктуру, микроструктуру и субмикроструктуру. Обычно при изучении диаграмм состояния рассматривают микроструктуру сплавов, т. е. строение сплава, наблюдаемое при увеличении под микроскопом.

В зависимости от электронного строения атомов, атомных радиусов, типа и параметров кристаллических решеток при кристаллизации сплавов могут образовываться различные структурные составляющие – твердые растворы, химические соединения или механические смеси сплавляемых компонентов.

Характерной особенностью твердых растворов является сохранение типа кристаллической решетки растворителя и наличие в ней разнородных атомов (растворителя и растворенного компонента).

Твердый раствор представляет собой одну фазу в рассматриваемой системе, т. е. для него  характерны все основные признаки фазы, несмотря на присутствие разнородных атомов в решетке и поверхностей раздела между отдельными зернами.

Характерными особенностями химического соединения являются наличие нового типа кристаллической решетки, отличающейся от решеток исходных компонентов, постоянство состава, которое может быть выражено формулой, и определенная температура кристаллизации. Химические соединения представляют собой одну фазу в рассматриваемой системе.

Механическая смесь кристаллов сплавляемых компонентов образуется в том случае, если компоненты имеют значительное различие электромеханических свойств, исключающих взаимную растворимость. В этом случае в формировании кристаллических решеток отдельных зерен участвуют только идентичные атомы. К механической смеси относится также особая структурная составляющая сплавов эвтектика (эвтектоид) не являющаяся самостоятельной фазой, а лишь представляющая дисперсную смесь двух фаз.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз Гиббса  (с = k – f  + 2). Если принять, что все

превращения в металле происходят при постоянном, неизменном давлении, то

число переменных уменьшится на единицу, и уравнение правила фаз примет вид (с = k – f  + 1). Это выражение правила фаз применяется к металлическим системам.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы  (с)  и количеством фаз  (f)  и компонентов  (k). Под числом степеней свободы (вариантностью) системы  (с) понимают число  внешних и внутренних факторов (температуру, давление и концентрацию), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. Понятие фазы (f)  было введено выше, компонентами (k)  называются вещества, образующие систему.

Если число степеней свободы равно нулю (с=0, нонвариантная реакция), то нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызывало изменения числа фаз.

 Если число степеней свободы равно единице (с=1, моновариантная реакция), то возможно изменение  в некоторых пределах одного из перечисленных факторов  системы  и это не вызовет  изменения числа фаз.

Характер взаимодействия сплавляемых компонентов предопределяет фазовый и структурный состав сплавов рассматриваемой системы и, следовательно, графическое изображение состояния сплавов, т. е. диаграмму состояния. Ниже разбираются основные типы диаграмм состояния двойных сплавов.

3.4 Пример построения диаграммы состояния сплавов по кривым охлаждения

Рассмотрим систему двух компонентов полностью растворимых друг в друге в жидком состоянии и практически не растворимых в твердом состоянии. Такая система характеризуется диаграммой состояния с простой эвтектикой.

На рисунке 3.3 представлены наиболее характерные кривые охлаждения ряда сплавов, по которым строится диаграмма состояния с простой эвтектикой.

 

Рисунок 3.3 - Построение диаграммы состояния по кривым охлаждения.

 

Кривая  А  соответствует охлаждению чистого компонента А (сплав I). В соответствии с правилом фаз, кристаллизация чистого компонента происходит при постоянной температуре.

Кривые охлаждения I и II соответствуют охлаждению доэвтектических сплавов №2 и №3. Кристаллизация этих сплавов протекает в две стадии: вначале выпадают первичные кристаллы А (в сплаве I начиная с температуры t1, в сплаве II – с температуры t2), а затем происходит кристаллизация эвтектики. Так как условия насыщения жидкости кристаллами А и В для различных сплавов одни и те же, то кристаллизация эвтектики у всех сплавов происходит при постоянной температуре, а именно t3.

Кривая охлаждения III соответствует охлаждению сплава чисто эвтектического состава №4.

Вид кривой охлаждения эвтектического сплава №5 аналогичен кривым охлаждения доэвтектических сплавов №2 и №3, только изменение наклона кривой в этом случае будет соответствовать выпадению первичных кристаллов В, а горизонтальная площадка, как и в сплавах №2-4, указывает на кристаллизацию эвтектики (А+В).

Кристаллизация чистого компонента В подобна кристаллизации чистого компонента А, т. е. происходит при постоянной температуре, так как однокомпонентная система при наличии двух фаз является нонвариантной.

 

3.5 Методика проведения работы

На технических весах взвесить необходимое количество металлов для приготовления заданных сплавов, загрузить навески в фарфоровые тигли, пронумеровать тигли раствором хлорного железа и поместить в нагретую до 600-7000С муфельную печь. После полного расплавления металлов, тигель извлечь щипцами и сплав тщательно перемешать фарфоровой палочкой для получения однородного состава. Для исследования температур превращений двойных сплавов и соответствующих диаграмм рекомендуются следующие составы сплавов (таблица 3.1).

В сплав вводится термопара, подсоединенная к потенциометру с автоматической записью изменения температуры во времени. На диаграмме прибора фиксируется кривая охлаждения данного сплава. После охлаждения до температуры 150-1800С сплав нагревается в печи до плавления, термопара переносится во второй тигель с расплавом и производится съемка кривой охлаждения сплава другого состава. Таким образом, записываются кривые охлаждения всех исследуемых сплавов.

Диаграмма извлекается из прибора КСП-4 и студентами объясняется ход полученных кривых охлаждения в зависимости от протекающих процессов. На основании полученных кривых охлаждения определяются температуры начала и конца кристаллизации и их значения заносятся в табл.3.2.  Полученные значения температур переносятся в новую систему координат: температура – концентрация. Соединив линиями верхние и нижние критические точки, соответствующие одинаковым превращениям, получают диаграмму состояния изучаемого двойного сплава.

На диаграмме во всех областях, ограниченных сложными линиями, указывается соответствующий равновесию фазовый и структурный состав.

 

           Таблица 3. 1

№ 1 сплав   Sb  –   Pb

 № 3 сплав     Bi Sb

 

состав сплава

состав сплава

1         13%  и  87% Pb

1           5%   и  95% Sb

2           5%  и  95% Pb

2          15%  и  85% Sb

3         40%  и  60% Pb

3          70%  и  30% Sb

4        100%     Sb

4         100%     Bi

5        100%     Pb

5         100%     Sb

№ 2     сплав    Zn – Sn

 №      4 сплав  Sn – Pb

состав сплава

состав сплава

1              5% и 95% Sn

1          10%  и  90% Pb

2              8% и 92% Sn

2          18%  и  82% Pb

3            20% и 80% Sn

3          40%  и  60% Pb

4            40% и 60% Sn

4          62%  и  38% Pb

5                     100% Zn

5          95%  и  5%   Pb

 

    Таблица 3.2 - Результаты измерений температуры

 

Критические температуры

№   с п л а в а

    1

    2

    3

    4

     5

Начала кристаллизации

 

 

 

 

 

Конца кристаллизации

 

 

 

 

 

 

3.6         Контрольные вопросы

1.           В чем сущность различия фазы и структуры.

2.           Основные виды фаз, образующихся при сплавлении компонентов. Их сущность.

3.           Определить фазовый и структурный состав различных областей изученных диаграмм состояния.

4.           Построить кривые охлаждения различных сплавов изученных диаграмм состояния.

5.           Применение правила отрезков для определения количественного состояния фаз и концентрации компонентов в фазах для различных сплавов.

6.           Правило фаз Гиббса, для проверки построения изученных диаграмм состояния и кривых охлаждения. 

 

4 Лабораторная работа № 4 

Микроскопический анализ сталей и чугунов 

Цель работы: Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов и  природы превращений в углеродистых сталях.

 Знакомство с техникой проведения микроанализа, приобретение навыков в работе с металлографическим микроскопом и изучение структур сталей и чугунов.

4.1 Основные сведения  

При изучении превращений в железо-углеродистых сплавах в процессе медленного охлаждения и их микроструктуры в равновес­ном состоянии пользуются диаграммой состояния "железо-цементит" (рисунок 4 )

Диаграмма состояния ''железо-цементит", как и другие диаг­раммы состояния для двухкомпонентных систем, построена в коор­динатах "температура - концентрация углерода в %”. Максимальная концентрация углерода на диаграмме состояния составляет 6,67 %, что соответствует 100% цементита.

Сталями называются сплавы, содержащие до 2,14% углерода. Чугуны имеют в своем составе от 2,14 до 6,67%  углерода.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают:

техническое железо - сплавы, содержащие до 0,02%  угле­рода.

доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8%  углерода,

эвтектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода,

заэвтектоидные стали - сплавы, содержащие   от 0,8 до 2,14%  углерода.

Первичная кристаллизация - это переход металла из жидкого состояния в твердое, т.е. процесс образования твердых кристал­лов непосредственно из жидкого расплава.

Для углеродистых сталей этот процесс начинается при охлаж­дении, когда температура достигает значений, соответствующих линии АВС, и заканчивается на линии HJE. После окончания первичной кристаллизации и достижения температуры, соответствующей линии HJE, сталь, независимо от содержания в ней углерода, имеет полиэдрическую структуру аустенита, который при дальнейшем медленном охлаждении сохраняется до линии  GS -  в доэвтектоидных сталях и до линии  SE - в заэвтектоидных.

В отличие от первичной кристаллизации процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кристаллизации.

Сущность вторичной кристаллизации для углеродистых сталей состоит в распаде аустенита, при охлаждении стали и образовании новых фаз: феррита и цементита.

Вторичная кристаллизация в доэвтектоидных сталях начинает­ся выделением феррита при достижении уровня температур при ох­лаждении, соответствующих линии GS. Из диаграммы состояния видно, что температура начала вторичной кристаллизации не пос­тоянна. В доэвтектоидных сталях она понижается с увеличением содержания углерода.

В области GSP   структура состоит из двух фаз: аустенита и феррита. По мере охлаждения от линии GS к линии PS количество феррита постепенно увеличивается, а количество аустенита уменьшается; при этом в оставшемся аустените концен­трация углерода увеличивается по линии GS в направлении к точке S  и достигнет 0,8 % при 727°С (линия PS ).

При охлаждении заэвтектоидных сталей из аустенита по линии ES начинает выделяться вторичный цементит. При дальнейшем охлаждении между линиями  ES и SK структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита, количество которого непре­рывно возрастает. Охлаждаясь, аустенит обедняется углеродом и достигает эвтектоидного состава ( 0,8 %С ) при температуре 727° С ( линия SK  ).

        Таким образом, в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоид­ных сталях

        при температуре 727°С аустенит содержит 0,8 %С и рас­падается при

        постоянной температуре на две фазы: феррит и цемен­тит:

А0,8%С ®   (Ф0,02%С + Ц6,67%С) ,

        а структура образующейся механической смеси называется перлитом.

 

4.2 Методические указания

 

Микроскопический анализ является основой металлографического метода исследований внутреннего строения металлов и сплавов. Микроанализ применяют, в основном, для выявления состава структурных составляющих и изменений внутреннего строения сплавов на специальных образцах – микрошлифах. Исследования производятся с помощью прибора, называемого металлографическим микроскопом.

Микроскопический анализ включает приготовление микрошлифов и исследование структуры подготовленных образцов под микроскопом.

 

4.3 Приготовление микрошлифов

 

Образцы для микроанализа изготавливают цилиндрической или прямоугольной формы, вырезая их из наиболее характерных и важных для эксплуатации мест исследуемого материала или детали. Одну из плоскостей образца обрабатывают на абразивном круге, затем эту же плоскость шлифуют до выведения рисок шлифовальными шкурками с постепенно уменьшающимися размерами зерен абразива.

После тщательного шлифования образец полируют на дисках, обтянутых замшей с применением полирующих смесей. Полирование производят до зеркального блеска.

 


 

Подпись: А,Подпись: Ж+А,Подпись:      
      А + Ц
  
      АУСТЕНИТ +
      ЦЕМЕНТИТ +
      ЛЕДУБУРИТ
,Подпись: 727,Подпись:             А +Ц

    ЛЕДЕБУРИТ +
      ЦЕМЕНТИТ
,Подпись: Ж,Подпись: Ж +Ц1,Подпись: Ф+Ц
ПЕРЛИТ
+
ЦЕМЕНТИТ
,Подпись: Ф+Ц
ФЕРРИТ
+
ПЕРЛИТ
,Подпись: Л
Е
Д
Е
Б
У
Р
И
Т

,Подпись: П
Е
Р
Л
И
Т
,Подпись:     Ф + Ц
ПЕРЛИТ+ЦЕМЕНТИТ+          ЛЕДЕБУРИТ
,Подпись:         Ф + Ц
ЛЕДЕБУРИТ+ЦЕМЕНТИТ
,Подпись:    А+Цп 
АУСТЕНИТ
      +
ЦЕМЕНТИТ
(ВТОРИЧНЫЙ)
,Подпись: А+Ф,Подпись: P,Подпись: D,Подпись: F,Подпись: K,Подпись: L,Подпись: C,Подпись: E,Подпись: S,Подпись: G,Подпись: A,Подпись: B,Подпись: J,Подпись: N,Подпись: Ф,Подпись: 1539,Подпись: 1392,Подпись: 911,Подпись: Ф,Подпись: 1147,Подпись: 0,Подпись: 0,8,Подпись: 2,14,Подпись: 4,32,Подпись: 6,67, %С,Подпись: Т,0С,Выноска 3 (без границы): Ж+Ф

,Выноска 3 (без границы): Ф+А
Подпись:      90,Подпись:      80,Подпись: 70,Подпись:      60,Подпись:      40,Подпись:      50,Подпись: 0,Подпись: 10,Подпись:    20,Подпись:      30,Подпись: Рисунок 4 -  Диаграмма  состояния  железо - цементит
 

 Полировальный шлиф подвергают травлению химическими реактивами до выявления микроструктуры сплава. При травлении за счет неравномерной растворимости различных составляющих (фаз), четко проявляется структура сплава. В качестве реактива для травления железоуглеродистых сплавов применяют 5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.

Травление осуществляется погружением полированной поверхности в реактив или протиранием ватой, смоченной в реактиве. Время травления обычно составляет 3-8 секунд, при этом поверхность становится тусклой и принимает ровный, слегка матовый оттенок, без каких либо пятен.

После травления поверхность промывают в спирте и просушивают фильтровальной бумагой. На этом приготовление шлифа заканчивается.

Металлографический микроскоп, в отличие от биологического позволяет рассматривать при увеличении непрозрачные тела в отраженном виде. Предназначен для визуального наблюдения микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете и темном поле, а также для исследования объектов в поляризованном свете и методом дифференциально-интерференционного контраста.

 Наиболее распространены вертикальные микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ЕС МЕТАМ РВ (для работы необходимо ознакомиться с устройством  и техническим описанием микроскопов, которые находятся в лаборатории).

При визуальном наблюдении микроскоп МИМ-6 обеспечивает увеличение до 590 раз, микроскоп МИМ-7 до 1440 раз, а ЕС МЕТАМ РВ от 50 до 1000 раз. Общее увеличение микроскопа определяется по формуле

Nобщ=Nоб·Nок,

где Nобщ – общее увеличение микроскопа;

Nоб – увеличение объектива;

Nок – увеличение окуляра.

Использование различных объективов и окуляров позволяет получить различные увеличения.

Работа на микроскопе. Металлографический микроскоп является сложным прибором, требующим умелого обращения.

Не разрешается:

1.           Приступать к работе без предварительного знакомства с устройством и работой различных узлов микроскопа.

2.           Резко перемещать рукоятки, винты и другие детали.

3.           Устанавливать на предметный столик шлиф с непросушенной после травления поверхностью.

4.           Прикасаться пальцами к оптике микроскопа и использовать для ее чистки неспециальный материал.

 

4.4 Изучение микроструктуры углеродистых сталей

Основными структурными составляющими углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре являются феррит, цементит и перлит.

В зависимости от сочетания структурных составляющих, зависящего от содержания углерода, углеродистые стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидными называются стали, структура которых состоит из феррита и перлита, т. е. содержащих менее 0,8% углерода. При рассмотрении под микроскопом зерна феррита кажутся светлыми, а зерна перлита – темными. С увеличением содержания углерода количество зерен перлита увеличивается (см. рисунки 4.1- 4.3).

Эвтектоидной называется сталь, полностью состоящая из одной структурной составляющей – перлита (содержание углерода 0,8%). Эвтектоид – перлит представляет собой механическую смесь феррита с цементитом, однако при небольшом увеличении порядка 100 – 300 раз фазовые составляющие сливаются в одно темное пятно. Лишь при небольших увеличениях (1000 раз) различима полосчатая структура перлита, состоящая из цветных полос цементита и темных – феррита (рисунок 4.4). Это объясняется тем, что при травлении феррит растворяется сильнее цементита, и при освещении шлифа выступающие зерна цементита будут казаться светлыми, а зерна феррита, на которые падает тень от выступающих участков цементита – темными.

Заэвтектоидная сталь по структуре представлена перлитом и вторичным цементитом, располагающимся в виде светлой сетки по границам участка перлита (рисунок 4.5). Содержание углерода в заэвтектоидных сталях 0,8%. В зависимости от режима термической обработки вторичный цементит может быть представлен небольшими по величине светлыми зернами (рисунок 4.6)

В случае затруднения при отделении феррита и вторичного цементита в сталях, близких к эвтектоидным, пользуются специальными травителями – пикратом натрия, который окрашивает цементит в темный цвет.

 

4.5 Определение содержания углерода в доэвтектоидных сталях 

По микроструктуре отожженной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода. Для этого необходимо учитывать, что углерод практически полностью находится в перлите, содержанием 0,8% углерода, а удельный объем перлита и феррита примерно одинаков. Поэтому для определения содержания углерода в доэвтектоидной стали нужно определить площадь, занимаемую перлитом и составить пропорцию:

Перлит  0,8 %С – 100 (занимаемая площадь в эвтектоидной стали)

               X %C   - Sn

откуда 

где Х – содержание углерода в изучаемой стали, %;

Sn – площадь, занимаемая перлитом, % (определяемая визуально).

 

 

 4.6  Изучение микроструктуры чугунов

 

На диаграмме железо-цементит высокоуглеродистой фазой в чугунах является цементит, образование которого обуславливается тем, что работа образования его зародыша, как и необходимые диффузивные изменения меньше, чем при кристаллизации углерода в виде графита. Однако в чугунах углерод может присутствовать как в форме цементита, так и в форме графита. Это объясняется тем, что графит является фазой, термодинамически более устойчивой, чем цементит, следовательно, структуры с графитом обладают меньшей свободной энергией, чем структуры с цементитом, и термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита. Таким образом, если кинетические условия позволяют, то образуются структуры с графитом, если нет – то с цементитом, не смотря на то, что более устойчива структура графита. К кинетическим условиям относятся скорость охлаждения и связанная с температурой подвижность атомов.

Образование свободного углерода может происходить также по реакции:

Fe3C          3Fe +C (графит)

В этом случае образование графита является вторичной реакцией и графит является продуктом распада цементита.

В зависимости от того, в каком виде присутствует углерод в высокоуглеродистых сплавах железа,  чугуны подразделяются на два основных класса:

1.Белые чугуны, в которых углерод в химически связанном состоянии – в виде цементита;

2.Серые чугуны, в которых углерод представлен графитом.

Кроме того, существует промежуточный класс половинчатых чугунов, в которых не весь углерод находится в связанном состоянии. В его структуре различимы светлая основа белого чугуна и темные участки серого.

Серые чугуны в зависимости от формы выделившегося графита подразделяются на обычные литейные чугуны (СЧ), высокопрочные чугуны (ВЧ) и ковкие чугуны (КЧ).

Фазовый состав белых чугунов представлен ферритом и цементитом,

т. е. такой же, как и у стали. Структура же белых чугунов отличается от структуры сталей, в основном, за счет образования эвтектики – ледебурита. В доэвтектических чугунах под микроскопом различимы две структурные составляющие – перлит и ледебурит, а вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита (см. рисунок 4.7).

Структура эвтектического белого чугуна представлена светлыми кристаллами первичного цементита и ледебурита, состоящим из светлых включений цементита, темных перлита (см. рисунок 4.8).

Серый чугун состоит из металлической основы, в которую вкраплены темные пластинки, хорошо просматривающиеся на непротравленных микрошлифах (см. рисунок 4.9). Условия охлаждения при получении чугуна влияют на степень графитизации и, следовательно, на содержание углерода в металлической части сплава, т.е. от степени графитизации можно получить различные металлические основы.

Различают три типа структуры серых чугунов по металлической основе:

I.                   На перлитной основе металлическая часть представлена перлитом (см. рисунок 4.10).

II.                На ферритно-перлитной основе металлическая часть представлена зернами феррита и перлита (см. рисунок 4.11).

III.             На ферритной основе металлическая часть представлена зернами феррита (см. рисунок 4.12).

       Наличие в структуре обычного литейного чугуна пластинчатого графита

       снижает его прочность при растягивающихся напряжениях. Для получения

       чугунов с повышенными механическими свойствами используют

       модифицирование или термическую обработку, позволяющую изменить форму графитовых включений.

При модифицировании чугуна магнием или церием графит кристаллизуется в форме шаров и такие чугуны называются высокопрочными (ВЧ) – (см. рисунок 4.13)

Для получения ковкого чугуна (КЧ) детали отливают из обычного белого чугуна и подвергают длительной выдержке при высокой температуре для протекания процесса графитизации. Условия распада цементита в области твердого состояния позволяют получить графит хлопьевидной формы (см. рисунок 4.14). В зависимости от степени графитизации в этих чугунах можно различить три типа структур – на перлитной, перлитно-ферритной и ферритной основе.

 

4.7  Порядок выполнения работы

1.        Ознакомится с методическими указаниями лабораторной работы, с устройством микроскопа и работой его узлов.

2.        Приготовить микрошлифы стальных и чугунных образцов и протравить их.

3.        Сравнить видимые микроструктуры с фотографиями известных структур.

4.        Вычертить диаграмму  Fe Fe3C, указав местоположение исследуемых сплавов и их характеристику.

         В отчете необходимо отразить: цель работы, сущность микроанализа, технологию приготовления микрошлифов, привести зарисовку изучения образцов сталей и чугунов, определить содержание углерода в доэвтектических сталях, используя приведенную в методических указаниях зависимость.

 

 

 

 

Схемы микроструктур сталей и чугунов ´ 200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1                     Рисунок 4.2                     Рисунок 4.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.4                     Рисунок 4.5                       Рисунок 4.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 2.7                           Рисунок 2.8                 Рисунок 2.8.а

 

 

 

Рисунок 4.7                     Рисунок 4.8                       Рисунок 4.9

 

Схемы микроструктур серых чугунов ´ 200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.9                  Рисунок 4.10                     Рисунок 4.11

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.12                    Рисунок 4.13                   Рисунок 4.14

 

4.8 Контрольные вопросы 

1.     Выделить на диаграмме однофазные области.

2.     Определить на диаграмме первичные и вторичные превращения.

     Указать на диаграмме.

3.     В чем отличия условий образования эвтектоида от эвтектики?

4.     Определение эвтектики. Указать эвтектическую точку и линию на диаграмме.

5.     Назначение микроскопического анализа и подготовка операций при микроанализе. Их назначение.

6.     Основные узлы микроскопа. Оптическая схема. Степень увеличения.

7.     Классификация сталей по структурным составляющим.

8.     Характеристика структуры доэвтектоидной и эвтектоидной стали.

9.     Характеристика структуры заэвтектоидной стали.

10. Определение углерода в доэвтектоидной стали.

11. Образование графита в сплавах FeC. Распад цементита.

12.  Белые, серые и половинчатые чугуны. Их различия.

13.  Фазовый структурный состав белых чугунов.

14.  Структура серых чугунов по металлической основе.

15.  Высокопрочные и ковкие чугуны. Их отличия от обычных серых чугунов.

16.  Термодинамические и кинематические условия образования белых и серых чугунов.

 

 5 Лабораторная работа №5

 Термическая обработка стали

 5.1 Общие сведения

  Для получения заданных свойств металлов за счёт преобразования их структуры без изменения химического свойства широкое распространение в технике получила термическая (тепловая) обработка.

         Возможность упрочнения углеродистой стали термической обработкой обусловлена превращением аустенита, приводящим к изменению фазового состояния и структуры стали, при непрерывном  охлаждении её после нагрева до аустенитного состояния,  даёт диаграмма превращения переохлаждённого аустенита с нанесёнными на неё кривыми охлаждения (см. рисунок 5.1).

         При относительно небольших скоростях охлаждения (V1 ® V2®V3) аустенит распадается в так называемом верхнем районе температур  (727-550°С)  с образованием структур перлитного типа (перлит, сорбит, тростит). Эти структуры представляют собой ферритно-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченности),  в которых частицы карбида имеют форму пластинок. 

          Степень дисперсности феррито-цементитной смеси зависит от скорости охлаждения и тем самым от температуры превращения аустенита: чем больше скорость охлаждения, тем мельче кристаллы (пластинки) феррита и цементита в смеси. Так в перлите частицы феррита и цементита можно различить под микроскопом уже при увеличении около 200 раз, в сорбите около 1000 раз, а в тростите около 10000 раз.

         При более высоких скоростях охлаждения (V5) ввиду невозможности диффузии атомов, распад аустенита на феррито-цементитную смесь подавляется, аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения и при дальнейшем охлаждении превращается в мартенсит, т.е. пересыщенный твёрдый раствор углерода в a - железе. Происходит  закалка стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1

 Наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит не распадается на феррито-цементитную смесь и переохлаждается до температур мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки Vкр. На рисунке 5.1- Vкр. - представляет касательную к линии начала распада аустенита.

          Величина Vкр. зависит от всех факторов, влияющих на устойчивость переохлаждённого аустенита и, в частности, от содержания углерода в стали. Охлаждение со скоростью < V кр. приводит к частичному распаду аустенита на ферритно-цементитную смесь (тростит) и к превращению оставшейся части аустенита в мартенсит. Из-за появления в структуре наряду с мартенситом более мягких участков тростита максимального возможная для данной стали твёрдость при этом не достигается.

                  Для проведения упрочняющей термической обработки необходимо предварительно получить в структуре стали аустенит. Для этого сталь нагревают до определённой температуры, которая зависит от химического состава стали и может быть определена по диаграмме состояния "железо-цементит" (см. рисунок 4). На диаграмме "железо-цементит" для сталей нижним критическим точкам А1 ( или Ас1 - при нагреве ) соответствует линия PSK  - превращение перлита в аустенит, а верхним критическим точкам А3 ( или Ас3  - при нагреве ) соответствует линия GSE - конец  растворения феррита в аустените в доэвтектоидных  сталях и цементита в аустените - в заэвтектоидных сталях. По достижении этой температуры делается выдержка для завершения фазовых превращений и выравнивания химического состава аустенита. Далее следует охлаждение с заданной скоростью с целью получения желаемой структуры и свойств  стали  (см. рисунок 5.1).

            Термическая обработка при которой сталь нагревается выше точки Ас3 на 30-50°С, выдерживается при этой температуре и охлаждается на спокойном воздухе, называется нормализацией.

                  Закалка стали на мартенсит включает нагрев выше линии выдержку и охлаждение её скоростью, больше критической. Оптимальные результаты при нагреве по закалке доэвтектоидных сталей получаются при нагреве под заакалку на 30-50°С выше точки Ас (полная закалка), а заэвтектоидных сталей на 30-50°С выше критической точки Ас, (неполная закалка). После закалки структура доэвтектоидных и эвтектоидных сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных- из мартенсита и вкраплений зерен вторичного цемента, который тверже мартенсита дополнительно повышает твёрдость и изностойкость заэвтектоидных сталей в закалённом состоянии.

          Для достижения нужных скоростей охлаждения при закалке используют среды с различной охлаждающей  способностью. Интервал температур мартенситного превращения Мнк желательно проходить с относительно небольшой скоростью, так как при этом уменьшаются внутренние напряжения в закаливаемых изделиях.

          Целью закалки является повышение твердости или прочности стали.

         Для уменьшения  внутренних напряжений и хрупкости стали, снижения твердости до нужного уровня и получения необходимого сочетания механических свойств (прочности, пластичности, вязкости) стальное изделие подвергают после закалки отпуску. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур, не превышающих нижней критической точки Ас1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе).

         При отпуске закаленной стали протекает ряд превращений, главным из которых является процесс распада мартенсита. Содержание углерода в отпущенном  мартенсите зависит не только от его  исходного состава и температуры отпуска, но и от времени выдержки.

         В интервале 350 - 400°С  твердый раствор полностью освобождается от пересыщающего его углерода,  и переход мартенсита  в смесь феррита и цементита  заканчивается. Эта смесь  имеет очень тонкое (мелкодисперсное) строение и носит название  - тростит отпуска.

Карбидные частицы, образующиеся в процессе распада мартенсита при температурах ниже 350 - 400°С, имеют форму тонких пластинок. При температурах выше 350 - 400°С укрупняются (коагулируют) и постепенно округляются, приобретая форму шариков (процесс сфероидизации). При этом

тростит отпуска переходит в менее дисперсную смесь феррита и цементита –сорбит отпуска, прочность которого ниже, а пластинчатость и вязкость выше, чем троостита.

Процессы коагуляции и сфероидизации карбидной фазы при отпуске носят диффузионный характер, поэтому степень их развития определяется  температурой нагрева и временем выдержки.

         Остаточные  закалочные напряжения  при отпуске снижаются и практически полностью устраняются при  достаточно длительной выдержке в интервале  500-600°С. Превращения,  происходящие при отпуске,  изменяют физико-механические свойства стали: с увеличением температуры и длительности отпуска прочность  твердость и износостойкость стали снижаются, а пластинчатость и ударная вязкость повышаются (рисунок 5.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2 -Влияние температуры отпуска на механические свойства стали.

          Наиболее существенным фактором, влияющим на скорость  процессов отпуска, является температура. Однако процессы  отпуска не завершаются мгновенно, а развиваются  во времени, в течение которого  состояние  стали непрерывно уменьшается, приближаясь к какому-то конечному уровню, характерному для каждой температуры отпуска. Поэтому степень отпуска стали и ее свойства зависят также от продолжительности выдержки.

         В зависимости  от структуры  и свойств, получаемых  после отпуска, различают три вида  отпуска: низкий (130 - 300°С), средний (350 - 400°С), и высокий (450 - 650°С).

         При низком отпуске, вследствие  частичного выделения углерода из мартенсита в виде мелкодисперсных карбидов и уменьшения остаточных внутренних напряжений хрупкость стали заметно снижается, а ее твердость изменяется незначительно по сравнению  с твердостью в закаленном состоянии.

         Мартенсит, обедненный углеродом при отпуске, называется отпущенным мартенситом отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты, цементованные и цианированные детали, а также детали после поверхностной закалки,т.е в тех случаях, когда необходимо сохранять высокую твердость и износостойкость и в то же время уменьшить внутренние напряжения и повысить вязкость стали.

         В результате  среднего  отпуска мартенсит распадается с образованием тростита отпуска. Сталь с такой структурой  отличается сравнительно высокой прочностью и наибольшей при достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают упругие элементы – пружины, рессоры, торсионы.

         Высокий отпуск приводят к превращению мартенсита в сорбит отпуска. Сталь, отпущенная на сорбит, отличается наилучшим сочетанием механических свойств: высокой ударной вязкостью, высокой пластичностью и заметно повышенной прочностью. Высокий отпуск назначается для ответственных деталей машин  и конструкций, изготовленных из среднеуглеродистых сталей и работающих в условиях высоких статических ударных и знакопеременных  нагрузок.

         Двойная обработка – закалка с высоким отпуском, улучшая весь комплекс  механических свойств стали, называется  термическим улучшением (или просто улучшением), а стали, подвергаемые такой обработке – улучшаемыми.

          Хотя структуру феррито-цементитной смеси  определенной  степени дисперсности можно получить из аустенита одинарной  термической обработкой, на практике чаще для этой цели применяют закалку и последующий высокий отпуск, так как при  равных значениях твердости и предела прочности характеристики пластичности, ударной вязкости и предела  текучести отпущенной стали. Причина этого – различное строение ферито-цементитных  смесей, образующих при  распаде  аустенита (пластинчатое строение), при  отпуске мартенсита (зернистое строение).

 

          5.2    Выполнение работы 

         В настоящей работе студенты исследуют влияние на структуру и свойства стали марки 45:

              а) скорости охлаждения из аустенитного состояния

              б) температуры отпуска в пределах 200- 700 °С.

        Для выполнения работы студентам поручают выполнять следующее задание: бригаде в 2-3 человека выдают  6 образцов стали 45 и поручают провести термическую обработку образцов с охлаждением в разных средах: другой бригаде 2-3 человека дают 4 закаленных на мартенсит  образцов стали 45 и поручают  провести отпуск при 450°С с разным временем выдержки: 5 минут для первого образца, 10 – для второго, 20 – для третьего и 30 – для четвертого.

        Каждой бригаде предоставляется муфельная  печь, термопара с гальванометром и щипцы. Бригаде, выполняющей закалку, предоставляется, кроме того, бачок с водой комнатной температуры, бачок и печь для кипячения воды и бачок с маслом. 

 

 Для проведения работы необходимо:

1.     Определить температуру нагрева под закалку по диаграмме  железо-цементит для стали 45 (850°С).

2.     Нагреть муфельную печь до 850°С.

3.     Заложить 6 образцов в печь и выдержать их при температуре 850°С в течение 15 минут.

4.     Охладить образцы: три в холодной воде, четвертый в кипящей воде, пятый в трансформаторном масле и шестой на воздухе.

5.     Зачистить на наждачном камне все образцы с двух сторон для удаления окалины.

6.     Измерить твердость образцов на приборе Роквелла. На каждом образце произвести три испытания твердости и среднее значение записать.

7.     Установить в муфельных печах нужную температуру для проведения отпуска ( 200, 400 и 600°С).

8.     Заложить закаленные в холодной воде образцы в печи и выдержать их в течение 30 минут.

9.     Охладить образцы.

10. Зачистить образцы с двух сторон и измерить твердость.

11. Записать среднее из трех измерений значение твердости.

12. Построить график зависимости твердости по скорости охлаждения из аустенитого состояния.

13. Построить график зависимости твердости от температуры отпуска при выдержке 30 минут.

14. Определить микроструктуру образцов после каждой проведенной в работе термической обработки.

 

            2 – й бригаде: 

1. Зачистить полученные закаленные образцы и измерить их твердость до отпуска.

2. Заложить образцы в печь с температурой 450°С и выдержать первый образец в течение 5 минут, второй – 10 минут, третий – 20, четвертый –30 минут.

3. Охладить образцы.

4. Зачистить образцы с двух сторон и измерить твердость.

5. Построить график зависимости твердости от времени выдержки при температуре отпуска 450°С.

6. Определить структуру образцов после отпуска.

 

          5.3 Контрольные вопросы 

1.Виды термической обработки.

2. Какие параметры характеризуют режим термообработки

3.Применение диаграммы Fe-Fe3C к термообработке.

3. Диффузионный и бездиффузионный процесс при  термообработке.

4. Какие факторы в основном влияют на скорость распада аустенита?

5.Какие структуры образуются в результате перлитного и мартенситного превращений?

6. В чем различие в фазовом составе перлита, сорбита и троостита?

7.Чем объясняется  уменьшение скорости распада аустенита при температурах 200-300°С?

8. Какая структура обеспечивает наибольшую твердость стали?

9.В чем отличие сорбита отпуска от сорбита закалки (нормализации)

10. Как изменяются механические свойства стали с повышением  температуры?

11. Что называется  прокаливаемостью стали?

12. Какие процессы происходят при химико-термической обработке сталей?

 

Литература

 

1. Гуляев А.Н. Металловедение  М.: Металлургия,  1977. -647 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.:  Металлургия, 1993, - 448 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975. -448 с.

4. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун  Ф. Материаловедение. - М.: 1999, -477 с.

5.Джаманкулова Н.О. Материаловедение. Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм  обучения специальности 050717-Теплоэнергетика. - Алматы: АИЭС, 2008. -37 с.

Содержание

 

1.     Лабораторная работа № 1 Определение твердости металлов …………..3

2.     Лабораторная работа № 2 Определение механических свойств  сталей …………….8    

 

3.     Лабораторная работа № 3 Построение диаграмм состояния двойных сплавов по кривым охлаждения…………..14

4.     Лабораторная работа № 4 Микроскопический анализ сталей и чугунов………………………..20

5.     Лабораторная работа № 5 Термическая обработка стали……………….30