Лабораторная работа № 1. (Тематический план дисциплины, тема 2)Изучение исходных материалов и продуктов металлургическогопроизводства

Содержание: в лабораторной работе даны исходные материалы ипродукция металлургического производства.

Лабораторная работа № 2. (Тематический план дисциплины, тема 2)Определение твёрдости металлов

Содержание: в лабораторной работе даны сведения об устройствеприборов Бринелля и Роквелла и методы измерения твёрдости.

Лабораторная работа № 3. (Тематический план дисциплины, тема 4)Макроструктурный анализ металлов

Содержание: в лабораторной работе приводится описание методикиисследование структуры металлов и сплавов двумя методами: метод изломови метод макрошлифов.

Лабораторная работа № 4. (Тематический план дисциплины, тема 4)Микроструктурный анализ металлов

Содержание: в лабораторной работе приводится описание технологииприготовления микрошлифов, устройство металлографического микроскопа,структура металлов до и после травления.

Лабораторная работа №6 (Тематический план дисциплины, тема 4)Анализ диаграммы состояния сплавов железо-цементит.

Содержание: в лабораторной работе приводится описание диаграммыжелезо-цементит, фазовые превращения, практическое применениедиаграммы.

Лабораторная работа №7 (Тематический план дисциплины, тема 4)Изучение микроструктур углеродистых сталей в равновесном состоянии.Содержание: в лабораторной работе приводится описание доэвтектоидных,эвтектоидных, заэвтектоидных сталей.

Лабораторная работа №8 (Тематический план дисциплины, тема 5)Термическая обработка углеродистой стали.

Содержание: в лабораторной работе приводится описание видовтермообработки, которые осуществляются за счёт превращений аустенитапри охлаждении т.е отжиг, нормализация и закалка.

Лабораторная работа №10 (Тематический план дисциплины, тема 5)Изучение микроструктур термически обработанных углеродистыхсталей.

Содержание: в лабораторной работе приводится описаниеособенностей составляющих микроструктур углеродистых сталей,получаемых при различных режимах термической обработки.

Лабораторная работа №12 (Тематический план дисциплины, тема 4)Изучение микроструктуры и свойств чугунов

Содержание: в лабораторной работе приводится описание определенияпо микроструктуре вида чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный),область применения их.

1

Содержание

Введение1 Лабораторная работа №1 Изучение исходных материалов

и продуктов металлургического производства 32 Лабораторная работа №2 Определение твёрдости металлов 73 Лабораторная работа № 3 Макроструктурный анализ

металлов 144 Лабораторная работа № 4 Микроструктурный анализ металлов 175 Лабораторная работа №6 Анализ диаграммы состояния

сплавов железо-цементит. 216 Лабораторная работа №7 Изучение микроструктур

углеродистых сталей в равновесном состоянии. 297 Лабораторная работа №8 Термическая обработка

углеродистой стали. 318 Лабораторная работа №10 Изучение микроструктур

термически обработанных углеродистых сталей. 369 Лабораторная работа №12 Изучение микроструктуры

и свойств чугунов 39

2

Лабораторная работа 1

Изучение исходных материалов и продуктов металлургическогопроизводства

Задачи работы: ознакомиться с основными исходными материаламидля производства черных металлов, с продукцией доменного производства,сортаментом проката.

Теоретические сведения. Основными исходными материалами дляпроизводства черных металлов служат железные руды, топливо, флюсы.

Железная руда — горная порода, из которой экономически выгодноизвлекать железо в промышленных масштабах. Железные руды состоят изрудной части (Fe304; Fe203; FeC03) и пустой породы (Si02; МпО; А1203; MgO идр.) с вредными примесями (Р205; FeS).

Промышленное применение имеют магнитные, красные, бурые ишпатовые железняки.

М а г н и т н ы й железняк (Fe 3 0 4 ) содержит 50—69% железа,имеет черный цвет, плотное строение и хорошо восстанавливается. Пустаяпорода кремнистая и глиноземистая.

К р а с н ы й железняк (Fe 2 0 3 ) содержит 55— 65% железа, можетиметь красный, серый или темно-синий цвет. Встречается в виде плотныхкусков, а также в пылевидном состоянии. Легко восстанавливается. Пустаяпорода обычно кремнистая.

Б у р ы й железняк (2Ғе 2 0 3 •ЗН20) содержит 35—40% железа иотносится к бедным рудам. Встречается в виде кусков и в пылевидномсостоянии. Хорошо восстанавливается.

Ш п а т о в ы й ж е л е з н я к — сидерит (FeC03) содержит 30—40% железа, имеет светло-серый и желтовато-белый цвет, легковосстанавливается.

Железные руды загружают в доменную печь преимущественно в видеагломерата.

Агломерат — пористые куски руды, более удобные для переработки вчугун, чем обычные железные руды. Для его получения мелкоизмельченнуюруду смешивают с 6—12% коксовой мелочи. Смесь поджигают наспециальной установке, при этом мелкие куски руды спекаются, образуяагломерат.

Топливо — различные естественные и искусственные продукты,выделяющие при сжигании значительное количество тепла и допускающиерентабельное их использование. Топливо содержит органические соединенияуглерода, водорода, азота, кислорода, серы, а также влагу и золу. Топливо темлучше, чем больше в нем углерода и водорода и чем меньше серы, влаги,золы.

В доменной печи в качестве топлива используют кокс (редко —древесный уголь). Получают кокс из коксующихся углей сухой перегонкойбез доступа воздуха в специальных коксовальных печах при температуре1000— 1100°С в течение 15—18 часов.

Кокс представляет собой ноздреватые куски черного цвета, имеющиепрочность в два-три раза выше, чем у древесного угля.

3

В мартеновских печах используют три вида топлива: коксовальный,доменный, генераторный и природный газы; мазут и пылевидное топливо.

Коксовальный газ получают попутно при производстве кокса,доменный — при сжигании топлива в доменных печах, генераторный газ −при сжигании твердого топлива в газогенераторах.

Мазут получают при крекинговании нефти, пылевидное топливо −измельчением в дробилках каменных углей в тонкий порошок.

Основные виды топлива и их характеристика приведены в таблице 1.

Таблица 1 Виды топлива и их характеристика

Топливо Теплотворная способность, кДж/м3

ЕстественноеАнтрацит 29,4·103− 21,0·103

Нефть 46,2·103− 42,0·103

Природный газ 35,7·103− 31,5·103

ИскусственноеДревесный уголь31,5·103− 27,3·103

Кокс 27,3·103

Мазут 42,0·103

Генераторный газ 5,88·103− 46,2·103

Доменный газ 4,62·103− 3,36·103

Флюсы предназначены для сплавления пустой породы и золы в шлак.Окислы, содержащиеся в железной руде, делятся на основные (ҒеО; MnO;CaO; MgO), кислотные (Si02; Р2О5) и амфотерные (А1203). Основные икислотные окислы при смешении их при высоких температурах образуютлегкоплавкие соединения. Так, температура плавления Si02 — 1750°С, СаО —2100°С, а температура плавления их смеси (Ca0·Si02) 1350°С. Поэтому, еслипустая порода содержит кремнезем (Si02), к ней добавляют обожженныйизвестняк (СаО), если пустой породой служит основной окисел (СаО) —флюсом должен быть кремнезем (Si02).

В доменных печах в качестве флюса применяют обожженный известняк.Огнеупоры — материалы, которые выдерживают без разрушения

высокую рабочую температуру печей (от 600 до 2000°С). Огнеупорыприменяют в виде кирпичей, фасонных изделий, влажных и сухих порошков,набоек (сбитой массы) для кладки печей и облицовки ковшей. Краткиесведения об огнеупорных материалах приведены в таблице 2.

Основной продукцией доменного производства являются чугун, побочной— шлаки и газы. В таблице 3 приведены сведения о химическом составечугунов и их применении.

Шлаки — сплавы различных окислов, образующиеся в результатефизико-химического взаимодействия их с флюсами. Доменные шлакиприменяют для изготовления цемента, кирпича, гравия, стеклянной ваты идр.

Доменные газы — (СО — 26—30%; Н2 — 1,0—2,5%; СН4 — 0,2— 0,5%;С02 — 9—16%; остальное — N2) используют для отопления

4

воздухонагревателей, котлов, коксовальных печей и других нагревательныхустановок. 5

Таблица 3 – Химический состав и применение различных чугунов

Наименование чугунов

Химический состав, % ОбластьпримененияС Мп Si р s

Серые (литейные) 2,5-3,5 0,5-1,5 2,5-3,5 0,1-0,3 0,07-0,15 Для изготовления отливок

Белые (передельные)

2,5-4,0 1,5-2,5 1,0-1,5 0,1-0,3 0,07-0,09 Для передела в сталь и ковкий чугун

Специальные:Ферросилицийферромарганец

1,0-2,54,5-7,0

До 3,070-75

9,0-13,01,5-2,0

≤0,20,35-0,45

≤0,04≤0,03

Для раскисления и легирования стали

Таблица 2 − Основные виды огнеупорных материалов

Вид огнеупора Наименование огнеупора

Химическая формула

Температура оплавления °С

Вид огнеупора Наименование огнеупора

Химическая формула

Температура оплавления °С

Кислый Динас Si02 1750-1800 Основной Магнезит MgO 2000Полукислый Шамот Al203+Si02 1650-1700 Полуосновной Хромомагнезит Cr2О3+MgO 1700-1800Основной Доломит CaO+MgO 1800-1950 Нейтральный

ХромистыйСг203 1750-1850

6

Рисунок1 – Сортамент изделий, полученных прокаткой: а – прокат простого профиля; б – сложного профиля; в – профили специального назначения; г – периодического профиля.

Сортамент проката делят на следующие группы в соответствии срисунком 1:

а ) п р о с т о г о п р о ф и л я : фасонный — 1; квадратный — 2, 3;круглый — 4; полосовой — 5; шестигранный — 6; овальный — 7;полуовальный — 8; сегментный — 9; ромбовидный — 10;б ) с л о ж н о г о п р о ф и л я : неравнобокий — 11; равнобокий — 12;швеллерный — 13; двутавровый — 14; тавровый — 15; рельсовый — 16;зетовый— 17; квадрантный — 18; в ) п р о ф и л я с п е ц и а л ь н о г он а з н а ч е н и я (19—34) и г ) п е р и о д и ч е с к о г о п р о ф и л я :арматурная сталь — 35; заготовка вагонной оси — 36; полуось автомобиля«Москвич» — 57; заготовка шатуна двигателя автомашины — 38.

Порядок выполнения работы:1. Изучить по данному учебному пособию исходные материалы и

продукцию металлургического производства.2. Ознакомиться с образцами железных руд, топлива, флюсов,

огнеупоров, чугунов, шлаков и профилей проката и описать ихособенности.

Содержание отчета. В отчет необходимо включить описание образцовизучаемых руд (наименование, химическая формула соединения железа,цвет, примерное содержание железа), кокса, огнеупорных материалов(наименование, химическая формула, примерная температура плавления);перечень и область применения чугунов; основные виды сортаментапроката.

7

Лабораторная работа 2 Определение твёрдости металлов

Задачи работы: ознакомиться с устройством приборов Бринелля иРоквелла и овладеть методикой определения твердости металлов; определитьвлияние содержания углерода на твердость отожженной углеродистой стали.

Теоретические сведения. Твердостью называют свойство металлаоказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела,не получающего при этом остаточной деформации. Твердость металлов чащеопределяют одним из двух методов: Бринелля (ГОСТ 9012—59) или Роквелла(ГОСТ 9013—59). Эти методы отличаются простотой, возможностьюприменять их на готовом изделии без его разрушения.

Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой вдавливаютзакаленный стальной шарик определенного диаметра D мм в соответствии срисунком 2 и по величине диаметра шарового отпечатка d (глубине h) судят оего твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения

НВ=P/F,где Р — нагрузка, кН (кгс); F — площадь поверхности шарового

отпечатка, мм2

Выразив площадь поверхности отпечатка через диаметр шарика идиаметр отпечатка, получаем формулу

Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарикапод нагрузкой выбираются по таблице 4.

Рисунок 2 − Схема измерения твердости по Бринеллю.

На рисунке 3 приведена схема рычажного прибора Бринелля (тип ТШ).Прибор имеет станину 1. Испытуемый образец устанавливают напредметный столик 4. Вращая маховик 3, винтом 2 поднимают образец досоприкосновения его с шариком 5 и далее до полного сжатия пружины 6.Пружина создает предварительную нагрузку на шарик, равную 1 кН (100кгс), что обеспечивает устойчивое положение образца во время нагружения.После этого включают электродвигатель 13 и через червячную передачуредуктора, шатун 1 1 и систему рычагов 8 , 9 с грузами 10 создаютзаданную полную нагрузку на шарик. На испытуемом образце получаетсяшаровой отпечаток. После разгрузки прибора образец снимают и определяютдиаметр отпечатка специальной лупой. За расчетный диаметр отпечаткапринимают среднее арифметическое значение перпендикулярныхнаправлениях. По диаметру отпечатка в таблице 5 при шарике диаметром 10мм и нагрузке 30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердостиНВ и записывают, например, НВ302. Твердость, измеренная по методуБринелля для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью спределом их прочности при растяжении σв. Для кованой и катанойуглеродистой стали σв. =0,36НВ, для легированных сталей σв. = (0,33—0,35)НВ, для стального литья σв.= (0,3-0,4)НВ.

Таблица 4 Зависимость диаметра шарика и нагрузки от твердости итолщины испытываемого образца

Материал Твердость НВ,кгс/мм2

Толщина образца, мм

Диаметр шарика D, мм

Нагрузка Р, кгс

Выдержка, с

Черные

металлы

140-450 Более 6 10 3000

106-3 5 750

Менее 3 2,5 187,5

Менее

140

Более 6 10 1000

6-3 5 250 10

Менее 3 2,5 62,5

Цветные

металлы

35-130 Более 6 10 1000

6-3 5 250 30

Менее 3 2,5 62,5

8-35 Более 6

10

250

6-3 5 62,5 60

Менее 3 2,5 15,6

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможностьиспытания металлов, имеющих твердость более НВ450, или толщину менее2 мм, остаточные следы деформации на поверхности изделия. Прииспытании металлов с твердостью НВ450 возможна деформация шарика,вследствие чего результаты будут неточными.

Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образецвдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или режезакаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конусиспользуют для твердых металлов, а шарик — для мягких.

Алмазный конус или шарик (рисунок 4) вдавливают в испытуемыйобразец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок —предварительной Р0, равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р1. При вдавливанииалмаза к нему прилагается общая нагрузка Р, равная 0,6 кН (60 кгс) или 1,5кН (150 кгс), а при вдавливании шарика — 1 кН (100 кгс). Соответственноэтим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С икрасная В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с оченьтвердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых

8

Рисунок 3. Схема прибора Бринелля.

Рисунок 4 − Схема измерения твердости по Роквеллу.

сплавов с твердостью до HRA85. Шкалой С пользуются при измерениитвердости закаленных сталей, обладающих твердостью до HRC67.

Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей,цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HRB100. Числатвердости по Роквеллу HR измеряются в условных единицах и определяютсяпо формулам:

при вдавливании алмазного конуса,

при вдавливании шарика,

где 100 — число черных делений шкалы С циферблата индикатораприбора, а 130 — число красных делений шкалы В.

һ0 — глубина внедрения алмаза (шарика), мм, под действиемпредварительной нагрузки;

Һ — глубина внедрения алмаза (шарика), мм, под действием общейнагрузки, замеренной после ее снятия, с оставлением предварительнойнагрузки;

0,002— глубина внедрения алмаза (шарика), мм, соответствующаяперемещению стрелки индикатора на одно деление

Чтобы получить у мягкого металла на приборе малую твердость, а у

твердого металла — высокую твердость, полученное число делений ( )вычитается из общего числа 100 для шкалы С или из 130 для шкалы В.

На рисунке 5 дана схема рычажного прибора Роквелла (тип ТК).Хорошо зачищенный испытуемый образец устанавливают на предметныйстолик 2. Затем вращением штурвала 1 по часовой стрелке поднимаютобразец до соприкосновения с алмазом или шариком 3. При дальнейшемвращении штурвала начинают перемещаться малая и большая стрелкициферблата индикатора 4 и создается предварительная нагрузка, равная 0,1кН (10 кгс), препятствующая, смещению образца во время испытания. Когдамалая стрелка совместится с красной точкой, нанесенной на циферблат,вращение штурвала следует прекратить. После этого циферблат индикатораповорачивают так, чтобы нулевое деление черной шкалы С стало противконца большей стрелки и соответственно против 30 деления красной шкалыВ. Красная шкала В смещена относительно нулевого деления черной шкалыС на 30 делений, так как при испытании шариком большая стрелка можетповорачиваться более чем на 100 делений.

Поворотом рукоятки 5, расположенной с правой стороны прибора, внаправлении от себя или включением электрического привода посредствомгрузов 7 создают основную нагрузку Р1 на алмаз (шарик). Благодарямасляному демпферу 6 грузы плавно опускаются, алмаз (шарик)вдавливается в металл, а большая стрелка циферблата поворачивается влево,в сторону уменьшения числовых значений твердости, т. е. происходит товычитание, о котором было сказано выше.

После остановки большой стрелки через 1—3 с поворотом рукоятки 5 внаправлении на себя, а у электрического прибора автоматически, снимаетсяосновная нагрузка. При этом большая стрелка поворачивается в обратномнаправлении и останавливается против деления, показывающего значениетвердости испытуемого металла.

Рисунок 5. Схема прибора Роквелла.

За число твердости принимают среднее арифметическое значение,полученное при трех испытаниях. Число твердости по Роквеллу можноперевести на число твердости по Бринеллю (см. табл. 5).

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью,обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний,позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокойтвердости, при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Этот метод нерекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугунысерые, ковкие и высокопрочные).

Таблица 5 − Соотношение чисел твёрдости по Бринелю и Роквеллу

Твёрдость Твёрдость ТвёрдостьПо

Роквеллу

По Бринеллю ПоРоквеллу

По Бринеллю ПоРоквел

лу

По Бринеллю

шкала D=10ммP=3000 кгс

шкалы D=10ммP=3000 кгс

шкала D=10ммP=3000 кгсС С В В

HRC Диаметротпечатк

а, мм

НВ HRC

HRB

Диаметротпечатка,

мм

НВ HRB Диаметротпечатка,

мм

НВ

72 2,20 780 33 - 3,40 321 86 4,60 17070 2,25 745 32 - 3,45 311 85 4,65 16768 2,30 712 31 - 3,50 302 84 4,70 16366 2,35 682 30 - 3,55 293 83 4,75 15964 2,40 653 29 -

3,60285 82 4,80 156

62 2,45 627 28 - 3,65 277 81 4,85 15260 2,50 601 27 - 3,70 269 80 4,90 14958 2,55 578 26 - 3,75 262 78 4,95 14656 2,60 555 25 - 3,80 255 77 5,00 14355 2,65 534 24 - 3,85 248 76 5,05 14052 2,70 514 23 102 3,90 241 75 5,10 13750 2,75 495 21 101 3,95 235 73 5,15 13449 2,80 477 20 100 4,00 229 72 5,20 13148 2,85 461 19 99 4,05 223 71 5,25 12846 2,90 444 17 98 4,10 217 70 5,30 12645 2,95 429 15 97 4,15 212 69 5,35 12343 3,00 415 14 95 4,20 207 68 5,40 12142 3,05 401 13 94 4,25 201 67 5,45 11841 3,10 388 12 93 4,30 197 65 5,50 11640 3,15 375 11 92 4,35 192 64 5,55 11439 3,20 363 9 91 4,40 187 63 5,60 11138 3,25 352 8 90 4,45 183 61 5,65 10936 3,30 341 7 88 4,50 179 59 5,70 10735 3,35 331 6 87 4,55 174 58 5,75 105

Порядок выполнения работы.1. Ознакомиться с устройством приборов Бринелля и Роквелла и

методикой измерения твердости.2. Измерить твердость отожженных сталей марок 30, 60 и У10 на приборе

Бринелля со стальным шариком диаметром 10 мм при нагрузке 30 кН (3000кгс).

3. Измерить твердость отожженных сталей марок 30, 60 и У8 па прибореРоквелла со стальным шариком диаметром 1,59 мм при нагрузке 1 кН(100кгс).

4. Результаты измерений твердости сталей внести в протокол испытаний.5. Построить график зависимости твердости стали от содержания в пей

углерода.Содержание отчета. В отчет необходимо включить понятие о твердости,

области применения приборов, преимущества и недостатки определениятвердости по Бринеллю и по Роквеллу; схему прибора для определениятвердости; протокол результатов испытаний; график зависимости твердостиот содержания углерода в стали. В выводах указать факторы, влияющие натвердость стали, объяснить полученный график.

Лабораторная работа 3 − Макроструктурный анализ металлов

Задачи работы: изучить методику макроструктурного анализа металлов и сплавов (макроанализ).

Теоретические сведения. Макроанализ — исследование структурыметаллов и сплавов невооруженным глазом или при увеличении до 30 разчерез лупу. При макроанализе применяют два метода: метод изломов иметод макрошлифов.

Метод изломов позволяет установить характер предшествующейобработки металлов давлением, величину зерен, вид чугуна, дефектывнутреннего строения (поры, трещины и др.). Для изучения излома образцыломают и место излома изучают визуально или пользуются лупой.

Метод макрошлифа дает возможность исследовать структуру,образующуюся в процессе кристаллизации или последующей обработкидавлением. Этим способом можно выявить волокнистость, ликвацию серы ифосфора, различного рода дефекты: усадочную раковину, газовые пузыри,поры, трещины и др. Макрошлиф приготовляют шлифованием образца споследующим полированием одной его стороны. Подготовленнуюповерхность травят соответствующим реактивом для выявления структуры.

Волокнистость, возникающую при обработке металлов давлением,выявляют глубоким травлением одной отшлифованной стороны образца всильных кислотах, нагретых до 70— 100°С. При этом примеси, скопившиесяна границах зерен, растворяются быстрее основного металла, в результатечего образуется рельефная поверхность в виде топких волокон.Волокнистость, повторяющая конфигурацию сечения детали,свидетельствует о правильной технологии горячей обработки давлением (всоответствии с рисунком. 6). При несоответствии расположения волоконконтуру детали в местах перехода от одной конфигурации ее к другойсоздаются напряжения, сокращающие эксплуатационный срок ее службы.

Для выявления в образце ликвации серы применяют метод Баумана.Фотографическую бромосеребряную бумагу па свету смачивают 5%-нымводным раствором серной кислоты, выдерживают 5—10 мин и слегкапросушивают между листами фильтровальной бумаги. После этого на шлифисследуемой детали накладывают фотобумагу и осторожно, не допуская еесмещения, проглаживают рукой для удаления пузырьков воздуха.Фотобумагу на шлифе выдерживают 2—3 мин. При этом сернистыесоединения FeS и MnS, содержащиеся в стали, взаимодействуют с сернойкислотой

FeS + H2S04 = FeS04+ H2S

Подобная же реакция протекает при взаимодействии с сернистыммарганцем.

Выделившийся сероводород вступает в реакцию с бромистым серебром

Рисунок 6. Микроструктура поковки полуоси автомашины (травление50%-ной соляной кислотой).

Рисунок 7. Ликвация серы и стали

2AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr

Для закрепления отпечатка на фотобумаге ее после снятия смакрошлифа помещают в 25%-ный водный раствор гипосульфита на 10-15 мин, затем промывают водой и сушат. В результате сера обнаруживаетсяна поверхности фотобумаги в виде сернистого серебра (Ag2S). Темно-коричневые пятна указывают на места, обогащенные серой, па формускоплений сульфидов по сечению образца (в соответствии с рисунком. 7).

В стали сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику,которая располагается преимущественно по границам зерен и плавится при985°С. Поэтому при горячей обработке сталей давлением при температурахвыше 1000°С эвтектика быстро расплавляется, разобщая зерна, и в металлеобразуются надрывы и трещины. Такое явление носит названиекрасноломкости. Вредное влияние серы на сталь усиливается принеравномерном распределении ее по сечению образца (ликвация).

Порядок выполнения работы.1 Ознакомиться с образцами изломов и макрошлифами.2 Зарисовать по образцам:а) изломы с выявлением размеров зерен, волокнистости,

кристалличности, дендритности и др.; б) макроструктуру шлифов образцов свыявлением распределения волокон в деталях (оценить правильностьконфигурации волокон, размер зоны термического влияния сварногосоединения, глубину закалки и др.).

3 Выявить на шлифе ликвацию серы по способу Баумана и получитьфотоотпечаток.

Содержание отчета. В отчете необходимо включить описаниеспособов макроанализа; схемы макроструктур; описание определенияликвации серы по Бауману; отпечаток ликвации серы в образце. В выводахдать оценку влияния характера макроструктуры на свойства металла.

Лабораторная работа 4 − Микроструктурный анализ металлов

Задачи работы: освоить технологию приготовления микрошлифов,ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, изучитьмикроструктуры шлифа до и после травления; уяснить практическоезначение данного метода и принцип выявления структур.

Теоретические сведения. Микроанализ применяют для изучениявнутреннего строения металлов и сплавов на оптическом микроскопе приувеличении от 50 до 1500 раз или электронном при увеличении до 100 000раз. Впервые в мире микроскоп для изучения строения стали был применен в1831 году инженером Павлом Петровичем Аносовым, работавшим в товремя на Златоустовском металлургическом заводе.

Для проведения микроисследования от изучаемой детали или заготовкиотрезают образец, который специально обрабатывают для придания одной изего поверхностей прямолинейности и зеркального блеска. Образец,подготовленный к микроанализу, называется микрошлифом. На практикеприходится изготавливать шлифы малых и больших размеров. Приизготовлении микрошлифов малых размеров (проволока, стружка, листы идр.) для их надежного крепления используют специальные струбцины илизаливают шлифы легкоплавким сплавом Вуда (50% Ві, 25% Pb, 12,5% Sn и12,5% Cd) с температурой плавления 68°С, серой или пластмассой.

Для проведения микроанализа необходимо: изготовить шлиф; изучитьпод микроскопом структуру металла на полированной поверхности шлифа(до травления); выявить структуру полированной поверхности травлением;изучить под микроскопом структуру протравленной поверхности шлифа.

Изготовление микрошлифа включает следующие операции: отрезкаобразца, его торцовка, шлифование и полирование.

О т р е з к а о б р а з ц а нужных размеров проводится резцом, илиножовкой (от металла малой твердости), или дисковым шлифовальнымкругом (от твердого металла) при охлаждении водой или эмульсией, чтобыне было нагрева образца свыше 150°С и его структурных изменений.

Т о р ц о в к а ш л и ф а осуществляется с целью приданияпрямолинейности одной из его поверхностей и проводится опиловкойнапильником или шлифовальным кругом.

Ш л и ф о в а н и е необходимо для удаления рисок, оставшихся отторцовки. Это достигается обработкой поверхности шлифа шлифовальнойбумагой различной зернистости (разных номеров). Шлифовальная бумагаотечественного производства имеет следующую нумерацию: 12, 10, 8, 6, 5, 4,3 (номер обозначает примерную величину зерна в сотых долях миллиметра).Для предварительного чернового шлифования берут бумагу первых четырехномеров. Заканчивают шлифование бумагой номерами 5— 3 с мелкимиабразивными зернами. Шлифование проводится вручную или наспециальном шлифовальном станке. Вручную образец шлифуют так.Наждачную бумагу кладут на толстое стекло, затем образец (шлиф)прижимают к бумаге и, удерживая его тремя пальцами, перемещают по ней водном направлении, но обязательно перпендикулярно рискам от предыдущейобработки. Этого правила необходимо придерживаться и при переходе с

одного номера шлифовальной бумаги на другой для удобства наблюдения завыведением рисок и ускорения процесса шлифования.

П о л и р о в а н и е проводится на тонкошерстном сукне, смоченномвзвесью окиси алюминия или окиси хрома в воде. Частицы окиси металловвесьма тверды, поэтому они во время полирования действуют на металл какабразивное вещество, т. е. производят резание. Так как эти частицы весьмадисперсны, они способны снимать мельчайшие неровности, делаяповерхность шлифа зеркального вида, без рисок даже при рассмотрении подмикроскопом. Готовый полированный шлиф последовательно тщательнопромывают водой, спиртом и сушат, прикладывая (промокая)фильтровальную бумагу.

Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопомпреследует цель определения качества его изготовления (отсутствие следовобработки) и установления характера расположения и размеровмикроскопических трещин, неметаллических включений — графита,сульфидов, оксидов и др. (в соответствии с рисунком. 8) в металлическойоснове (имеет светлый вид при рассмотрении под микроскопом).

Рисунок 8. Неметаллические включения в стали и в чугуне: а — оксиды; б — сульфиды; в — графит.

Выявление структуры металлической основы шлифа послеполирования осуществляется травлением его реактивом. Для стали и чугуначаще всего применяют 2—5%-ный раствор азотной кислоты (HN03) вэтиловом спирте. Полированную поверхность шлифа погружают в реактивна 3—15 с или протирают ватой, смоченной в реактиве, до появленияровного матового оттенка без наличия каких-либо пятен. Затем шлифпромывают в спирте или воде и просушивают фильтровальной бумагой.

Известно, что любой металл или сплав является поликристаллическимтелом, т. е. состоит из большого числа различно ориентированныхкристаллитов или зерен. На границах зерен (даже чистейших металлов)обычно располагаются различные примеси. Эти примеси и структурные

а б в

составляющие неоднородного строения (механические смеси) под действиемреактива образуют микроскопические гальванические пары, чтоспособствует более быстрому их растворению. Однофазные структуры(чистые металлы, твердые растворы, химические соединения) травятсямедленнее. В результате неодинаковой степени протравливания структурныхсоставляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф.

Изучение протравленной поверхности шлифа под оптическиммикроскопом позволяет увидеть микрорельеф поверхности, представляющийсобой сочетание света и тени. Это объясняется неодинаковой степеньюпротравливания структурных составляющих, которые по-разному отражают

свет.

а б

Рисунок 9 – Схемы, поясняющие видимость под микроскопом: а−зёрнао впадинах – тёмного цвета, выступающие – светлого; г – границы зёренметаллов и твёрдых растворов.

Часто зерна одного и того же строения под микроскопом могут иметьразличные оттенки. Это объясняется тем, что в плоскости шлифа находятсясечения различных зерен и их границы. Каждое зерно в плоскости шлифаимеет свое сечение кристаллической решетки с различным количеством внем атомов, а следовательно и свойства зерен отличаются друг от другаспособностью протравливаться, прочностью и др. Такое явление называетсяа н и з о т р о п и е й .

Строение металла, наблюдаемое в металлографическом микроскопе,называется микроструктурой, которая представляет собой изображениевесьма малого участка поверхности, составленное из отраженных от негосветовых лучей.

Принципиальная схема металлографического микроскопа МИМ-7показана на рисунке 10. Увеличение микроскопа определяетсяпроизведением увеличения окуляра на увеличение объектива. Объектив даетобратное увеличенное действительное изображение. Окуляр, как обычнаялупа, укрупңяет изображение, полученное объективом.

Рисунок 10. Оптическая схема микроскопа МИМ-7:1 — осветитель (лампа); 2 — коллектор; 3 — зеркало; 4 — линза; 5 — ап-лсртурная диафрагма; 6 — линза; 7 — призма; 8 — линза; 9 —отражательная пластинка; 10 — объектив; 11 — объект; 12 —ахроматическая линза; 13 — окуляр; 14 — зеркало; 15 — фотоокуляр; 16 —зеркало; 17 — фотопластинка; 18 — полевая диафрагма; 19 — затвор; 20 —линза для работы в темном поле; 21 — кольцевое зеркало; 22 —параболическое зеркало; 23 — заслонка (включается при работе в темномполе); 24 — поляризатор; 25 — анализатор.

В результате изучения микроструктуры можно установить: количествоструктурных составляющих сплава и характер их расположения; величинузерен (путем их сопоставления со специально установленной шкалой илинепосредственным измерением, зная величину увеличения); вид термической

обработки и правильность выбора ее режима (температуры нагрева, скоростиохлаждения); приближенное содержание некоторых элементов (углерода) вотожженных сталях.

Между структурой и свойствами металлов и сплавов существуетпрямая зависимость. Поэтому в практике металловедения микроанализявляется одним из основных методов, позволяющий изучить строениеметаллов и сплавов, а следовательно, получить сведения об их свойствах.

Порядок выполнения работы1. Механически обработать образец для приготовления

микрошлифа (шлифование, полирование).2. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом.3. Зарисовать схему увиденной микроструктуры, указав строение

сплава (неметаллические включения, металлическую основу). Пользуясьшкалой баллов, определить балл оксидов и сульфидов (ГОСТ 1778—70).

4. Протравить шлиф реактивом.5. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом после

травления.6. Зарисовать схему увиденной микроструктуры после травления,

указав строение сплава (границы зерен, зерна однородного и неоднородногостроения, размер зерна). Пользуясь шкалой величины зерна, определить ихразмер (ГОСТ 5639-65).

7. Определить общее увеличение микроскопа.

Содержание отчета. В отчет необходимо включить технологиюприготовления микрошлифов, реактив, применяемый для травления стали ичугуна, оптическую схему металлографического микроскопа и ее краткоеописание, схемы микроструктур и их описание. В выводах указатьособенности строения исследуемого металла, выявленные микроанализом дотравления и после травления, наличие неметаллических включений,дефектов, размер, форму зерен и их влияние на красноломкость, прочность.

Лабораторная работа 6 − Анализ диаграммы состояниясплавов железо-цементит

Задачи работы: изучить линии, точки и области диаграммы железо —цементит, ее фазы и структуры, превращения в сплавах с различнымсодержанием углерода при нагревании и охлаждении, применение правил фази отрезков.

Рисунок 14. Диаграмма железо-цементит

Теоретические сведения. Диаграмма железо — цементит (рисунок 14)является основой для понимания процессов, происходящих при нагревании иохлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). Согласнодиаграмме железо — цементит, в железоуглеродистых сплавах принагревании или охлаждении могут получаться следующие структурныесоставляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит. В таблице 6приведена характеристика структурных составляющих железоуглеродистыхсплавов.

Анализ диаграммы в настоящей работе проводится по упрощеннойсхеме, т. е. без ее левого верхнего уголка. При анализе рассматриваютсялинии и точки диаграммы (табл. 7 и 8), применяются правило фаз и правилоотрезков.

Для анализа диаграммы железо — цементит применяют правило фазГиббса. Выше линии ACD все сплавы в жидком состоянии, следовательно,число степеней свободы С=К—Ф+1=2—1 + 1 = 2 . Это значит, что системарасполагает двумя степенями свободы, которые можно менять без нарушенияравновесия системы, т. е. без изменения числа и состояния фаз (рисунок 14).В определенном интервале температур выше линии ACD можно сплавынагревать и охлаждать, менять их концентрацию и они остаются жидкими.Между линиями АС и АЕС и линиями CD и CF сплавы двухфазны, состоят изтвердой фазы и жидкости,, и при этом число степеней свободы равно С = 2—2 +1 = 1 (таблица 7). Из вышесказанного следует, что система в данныхобластях располагает только одной степенью свободы и для сохранениячисла фаз можно менять лишь один фактор равновесия — либо температуру,либо концентрацию. Две фазы и одна степень свободы имеются также вавсех других областях диаграммы, кроме аустенитной, где между линиями АЕи GSE система однофазна и располагает двумя степенями свободы С=2—1+1=2. На горизонтальных линиях ECF и PSK система трехфазна (таблица 7)и число степеней свободы С=2—3 + 1=0 (таблица 7). На линии ECF приохлаждении образуется ледебурит, а на линии PSK — перлит. Нулеваястепень свободы на этих линиях обусловливает строго постоянныетемпературы при образовании ледебурита (1147°С) и перлита (727°С). Изтаблицы 8 видно, что две фазы и одну степень свободы имеют все кривыелинии и точки A, D, G, Q; три фазы и нулевую степень свободы — точки Р, S,Е, С, в точках К и F фазовых превращений нет.

Таблица 6 – Характеристика структурных составляющих железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов)Названиеструктуры

Тип структуры Содержаниеуглерода, %

Количество фаз Механические свойства Характеристикаструктурыσв, кгс/мм2 δ, % НВ, кгс/мм2

Феррит Ограниченныйтвёрдый растворуглерода в α-железе

От 0,006 (при 00)до 0,025 (при

7270С)

1 30 40 80-100 Пластичная, нонепрочная

Аустенит Ограниченныйтвёрдый растворуглерода в γ-железе

От 0,8 (при7270С) до 2,14(при 11470С)

1 60 60 180-200 Оченьпластичная

Цементит Химическоесоединениежелеза суглеродом (Fе3С)

6,67 1 200 0 800 Очень твёрдая ихрупкая

Перлит Механическаясмесь феррита ицементита

0,80 2 60 20 200 Средняяпрочность и

пластичностьЛедебурит Механическая

смесь перлита ицементита

4,30 2 100 1-2 700 Твёрдая ихрупкая

Таблица 7 – Фазове превращения на линиях по диаграмме

Обозначениелиний

Фазовые превращения на линиях (приохлаждений)

Перечень фаз Количество фаз Число степеней свободы

АС Начало выделения аустенита изжидкости

Аустенит+жидкость 2 1

АЕ Конец выделения аустенита из жидкости Аустенит+жидкость 2 1ЕС Конец выделения аустенита из жидкости

и образования ледебуритаАустенит+цементит+жидкость 3 0

CD Начало выделения цементита(первичного) из жидкости

Жидкость+цементит 2 1

CF Конец выделения цементита(первичного) из жидкости и образованиеледебурита из жидкости

Жидкость+цементит+аустенит 3 0

ECF Образование ледебурита из жидкости Жидкость+аустенит+цементит 3 0GS Начало выделения феррита из аустенита Аустенит+феррит 2 1GP Конец выделения феррита из аустенита Аустенит+феррит 2 1PS Конец выделения феррита из аустенита и

образование перлита из аустенитаАустенит+феррит+цементит 3 0

PSK Образование перлита из аустенита Аустенит+феррит+цементит 3 0SE Начало выделения цементита

(вторичного)Аустенит+цементит 2 1

SK Конец выделения цементита(вторичного) из аустенита и образованиеперлита из аустенита

Аустенит+цементит+феррит 3 0

PQ Начало выделения цементита(третичного) из феррита

Феррит+цементит 2 1

Таблица 8 – Фазовые превращения в точках по диаграмме

Обозначение точек

Фазовые превращения в точках (принагревании и охлаждении)

Содержание

углерода, %

Соответствующая

точкамтемпература

, 0С

Перечень фаз Количество фаз

Числостепенейсвободы

примечания

A Температура плавления изатвердевания чистого железа

0 1539 Жидкость+кристаллы железа 2 - Правило фаз Гиббса к однокомпонентным системам не применимо

D Температура плавления изатвердевания цементита

6,67 1600* Жидкость+ цементит (первичный)

2 -

C Плавление и образование ледебурита 4,30 1147 Жидкость+аустенит+цементит 3 0E Максимальное растворение углерода

в аустените2,14 1147 Жидкость+аустенит+цементит 3 0

S Минимальное растворение углерода ваустените

0,80 727 Аустенит+феррит+цементит 3 0

G Превращение γ- железа в α- железоили α-железа в γ-железо.

0 911 γ-железо+α-железо 2 -

P Максимальное растворение углеродав α-железе

0,025 727 Аустенит+феррит+цементит (вторичный)

3 0

Q Минимальное растворение углерода вα-железе

0,006 0 Феррит+цементит (третичный) 2 1

K Нет фазовых превращений 6,67 727 Цементит (первичный) 1 -F Нет фазовых превращений 6,67 1147 Цементит (первичный) 1 -

* При высоких температурах цементит частично разлагается на аустенит и графит.

Правилом отрезков или правилом рычага пользуются для определенияпроцентного и весового состава жидкой и твердой фаз или двух различныхтвердых фаз (количество структурных составляющих и их концентраций).Для этого, например, из точки b (рисунок 15) проводят горизонталь до линийGP и GS. Проекция точки а на ось концентраций показывает содержаниеуглерода в феррите, а проекция точки с — содержание углерода в аустенитепри определенной температуре. Для нахождения количественногосоотношения аустенита и феррита необходимо составить обратнопропорциональное отношение отрезков: Qф/Qaу =bc/ab, где Q ф — количествоферрита; Qaу — количество аустенита для температуры, соответствующейточке b. Пусть в точке b масса всего сплава составляет 100 г, тогда Qф /(100-Qф)=bc/ab. Подставляя значения отрезков bс и ab, взятые из диаграммысостояния, можно определить количество феррита, а затем и количествоаустенита.

По диаграмме железо — цементит можно построить кривыеохлаждения. Для этого точки пересечения вертикали с линиями диаграммы(рисунок 15 и 16), обозначающей сплав определенной концентрации, сносятна систему координат температура — время и строят кривую нагревания илиохлаждения этого сплава. Точки пересечения с кривыми линиями диаграммысоответствуют перегибам на кривых охлаждения и нагревания, а точкипересечения с горизонтальными линиями соответствуют площадкам на техже кривых.

Порядок выполнения работы.

1 Изучить структурные составляющие диаграммы жлезо-цементит посодержанию углерода, количество фаз, кристаллическим решёткам исвойствам

2 Изучить превращения железоуглеродистых сплавов по диаграммежелезо-цементит

3 Выработать навыки по применению к диаграмме железо-цементитправила фаз Гиббса и правила отрезков с пояснением условий для

Рисунок 15−Часть диаграммы железо—цементит. Вторичнаякристаллизация сталей.

V

29

сохранения сплавов в равновесном состояний. Научиться определятьпроцентный и количественный состав сплавов.

4 Приобрести навыки вычерчивания кривых охлаждения и нагреванияпо диаграмме состояния сплавов.

Содержание отчёта. В отчёт необходимо включить схему диаграммысостояния сплавов железо-цементит; описание фаз, структуржелезоуглеродистых сплавов и их свойства; две кривые охлаждения длястали и чугуна с любым содержанием углерода, построенные по диаграммежелезо-цементит, описание на основе этих кривых, фазовых превращений,происходящих в сплавах при нагревании и охлаждений с применениемправила фаз Гиббса и правила отрезков.

Лабораторная работа 7 – Изучение микроструктур сталей вравновесном состоянии

Задачи работы: получить навыки в проведении микроанализаструктур углеродистых сталей и определении по ним типа сплава,содержания углерода, примерной марки стали и практического примененияустановленного сплава.

Теоретические сведения. Микроструктура углеродистых сталей вравновесном состоянии, полученная после медленного охлаждения (отжига),может быть определена по левой нижней части диаграммы состояния железо— цементит (рисунок 14). Сплавы железа с углеродом, содержащие углеродадо 0,025%, называют техническим чистым железом. Его структура состоит изсветлых зерен феррита с хорошо видными темными границами (рисунок 17,а). Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода от 0,025 до 2,14%,называются сталями. По структуре в равновесном состоянии стали делятсяна доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,025 до 0,8% углерода. Структураэтих сталей состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита(рисунок 17, б, в, г, д, е). С увеличением содержания углерода уменьшаетсяколичество феррита, возрастает количество перлита (феррит + цементит).

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода и состоит только изперлита, имеющего пластинчатое строение (рисунок 17, ж).

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14%) углерода. Ихструктура состоит из перлита и вторичного цементита (рисунок 17, з). Примедленном охлаждении вторичный цементит располагается по границамзерен перлита в виде сетки или ручейков белого цвета. Чтобы отличитьцементит от феррита, применяют специальный реактив — пикрат натрия,который окрашивает цементит в темный цвет и совершенно не действует наферрит. Выделение вторичного цементита по границам зерен перлитанежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью иплохо обрабатывается резанием. Чем больше содержание углерода, тем болееширокой получается цементитная сетка и меньше образуется перлита.

Таким образом, с увеличением содержания углерода в углеродистыхсталях, находящихся в равновесном состоянии, меняется их структура ифазовый состав: уменьшается количество мягкого феррита, увеличиваетсяколичество твердого цементита и в соответствии с этим возрастают твёрдостьНВ, предел прочности σв, уменьшаются пластичность δ и ударная вязкость ан

(рисунок 18). При содержании углерода свыше 1,0% предел прочностиснижается, что объясняется образованием в структуре стали по границамзерен сплошной цементитной сетки.

По структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можноприближенно определить содержание углерода, а затем установить маркустали. Для этого на микроструктуре, рассматриваемой под микроскопом,ориентировочно определяют площади, занимаемые перлитом, ферритом,цементитом. Принимают содержание углерода в феррите равным нулю, в100% перлита — 0,8%, а в 100% цементита— 6,67% С.

Например, пусть в доэвтектоидной стали перлит занимает 25% всейплощади, феррит — 75%. Тогда содержание углерода в стали можноопределить из пропорции:

100% перлита —0,8% С,25% перлита — х% С.

Откуда

Такое содержание углерода имеет конструкционная сталь марки 20.

По структуре заэвтектоидной стали не рекомендуется определятьсодержание углерода, так как с увеличением его содержания мало изменяетсяплощадь, занимаемая цементитом, и можно сделать грубую ошибку в расчете.

Порядок выполнения работы 1. Рассмотреть и изучить микрошлифыпод микроскопом, определить структурные составляющие, указать классстали (доэвтектоидная, эв-тектбидная, заэвтектоидная).

2. По структуре подсчитать содержание углерода.3. Зарисовать схемы микроструктур.

Содержание отчетаВ отчет необходимо включить участок диаграммы состояния железо —

цементит для сталей и указать, как влияет увеличение содержания углерода наструктуру и механические свойства стали; описать строение и свойстваструктурных составляющих; напротив зарисованных схем микроструктуруказать: структурные составляющие, класс стали, содержание углерода, маркустали, механические свойства (НВ, σв, δ — используя справочный материал),применение.

30

а−0,01%С; б−0,1%С; в−0,2%С; г−0,3%С; д−0,4%С; е−0,5%С; ж−0,8%С;з−1,2%С. (Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте, х450)

Лабораторная работа 8− Термическая обработка углеродистой стали

Задачи работы: ознакомиться с оборудованием для термическойобработки стали; изучить технологию норматизации и закалки стали;

Рисунок 17. Микроструктура стали в зависимости от содержанияуглерода:

31

определить влияние скорости охлаждения на твердость углеродистой сталипосле термической обработки.

Теоретические сведения. Термической обработкой стали называетсятехнологический процесс, состоящий из нагрева стали до определеннойтемпературы, выдержки и последующего охлаждения с заданной скоростью.При термической обработке получают необходимые свойства стали, изменяяее структуру без изменения состава.

Рисунок 19 – Температурные интервалы термической обработки стали

Любой режим термической обработки может быть представленграфически в координатах температура — время. Температура нагревауглеродистой стали ориентировочно в зависимости от содержания углеродавыбирается по диаграмме железо — цементит (рисунок 19), по справочнымданным и уточняется экспериментальным путем. Время определяетсярасчетом, по справочным данным [2, 6] и опытом. Основные видытермической обработки — отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Внастоящей работе рассматриваются только отжиг, нормализация и закалка, т.е. те виды термообработки, которые осуществляются за счет превращенийаустенита при охлаждении.

Отжигом стали называют термическую обработку, при которойдоэвтекдоидную сталь выше критической точки Ас3, а заэвтектоидную —выше Ac 1 на 30-50°С (рисунок 19) и после выдержки дают медленноеохлаждение вместе с печью. При этом получают наиболее равновесныеструктуры: феррит с перлитом, перлит или перлит с цементитом. Основноеназначение отжига — перекристаллизация зерна стали, снижение твердостии снятие внутренних напряжений.

Нормализацией стали называют нагрев доэвтектоидных сталей вышекритической точки Ac3, эвтектоидпых и заэвтектоидных сталей — вышекритической точки Acm на 30—50°С с непродолжительной выдержкой и

32

последующим охлаждением на воздухе. После нормализации углеродистыестали имеют ту же структуру, что и при отжиге, но перлитные смесиполучаются более мелкодисперсными, так как распад аустенита происходитпри больших степенях переохлаждения. Цель нормализации (—перекристаллизация зерна стали, снятие внутренних напряжений,подготовка стали к дальнейшей пластической деформации, механическойили термической обработке. Нормализация — дешевый и простой видтермической обработки для сталей, содержащих менее 0,5—0,6% С, приподготовке их к обработке резанием может заменять отжиг.

Закалкой называется термообработка, состоящая из нагревадоэвтектоидных сталей выше критической точки Ас3, эвтектоидпых изаэвтектоидных сталей выше Ас1 на 30— 50°С, выдержки при даннойтемпературе и последующего охлаждения со скоростью больше критической(минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая превращениепереохлажденного аустенита в мартенсит). При скоростях охлаждениябольше критической углерод не успевает выделиться из кристаллическойрешетки (в соответствии с ее перестройкой из γ- железа в α-железо), врезультате получается однофазный перенасыщенный твердый растворуглерода в α-железе, который получил название мартенсита. При этомпроисходят значительные искажения пространственной решетки, создаетсявысокая плотность порогов дислокаций, нарушается равенство межатомныхсил и в стали накапливается значительная внутренняя потенциальнаяэнергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее пластичность приэтом падает. В зависимости от температуры нагрева стали различаютследующие виды закалок.П о л н а я з а к а л к а — нагрев стали выше критической точки Ас3 на 30—50°С с последующим охлаждением со скоростью больше критической.Структура стали при этом состоит из мелкоигольчатого мартенсита, а присодержании углерода более 0,6% С, кроме мартенсита, имеется небольшоеколичество остаточного аустенита. Полная закалка применяется только длядоэвтектоидных сталей.

При нагреве доэвтектоидных сталей между линиями АС 1 и Ас3

получается структура, состоящая из аустенита и феррита, и поэтому послезакалки из этой области температур структура состоит из мартенсита иферрита. Такая закалка называется неполной. Наличие феррита ведет кснижению твердости закаленной стали и не вызывает заметного увеличенияударной вязкости. Подобный технологический процесс термическойобработки — брак производства.

Перегрев стали, т. е. нагрев ее до температур, превышающихтемпературы критической точки Ас3 на 150— 200°С, вызывает рост зернааустенита, что увеличивает склонность стали к появлению деформации иобразованию трещин при закалке. Структура такой стали состоит изкрупноигольчатого мартенсита и обладает пониженной ударной вязкостью.

Н е п о л н а я з а к а л к а применяется для заэвтектоидных сталей исостоит из нагрева выше критической точки АС 1 на 30—50°С,последующей выдержки и охлаждения со скоростью больше критической.Структура заэвтектоидиой стали после неполной закалки состоит измартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита.

33

Цементит обладает высокой твердостью и не снижает твердостизакаленной стали, аустенит, наоборот, мягче мартенсита и снижает общуютвердость. Закалка заэвтектоидных сталей с температур, превышающихлинию Аст, ведет к получению крупноигольчатого мартенсита с большимколичеством остаточного аустенита. Такая структура создает в сталиповышенные внутренние напряжения, коробление, трещины и пониженнуюударную вязкость. Повышение содержания углерода в заэвтектоидных сталяхснижает линии начала и конца мартенситных превращений (рисунок 20), чтоприводит к увеличению количества остаточного аустенита при закалке.

Рисунок 20. Зависимость положения линий мартенситных превращенийот концентрации углерода в стали.

Охлаждающими средами при закалке стали служат: вода, водныерастворы солей, щелочей, кислот, масло. В воде закаливают углеродистыестали, содержащие более 0,3% С. При меньшем содержании углерода этистали практически не закаливают, так как скорость охлаждения стали даже вводе меньше необходимой критической скорости закалки. Аустенит толькочастично превращается в мартенсит или в феррито-цемеититную смесь.Масло охлаждает металл медленнее, чем вода, и в нем обычно закаливаютвысокоуглеродистые и легированные стали, которые имеют небольшуюкритическую скорость закалки.

Порядок выполнения работы.1. Измерить твердость образцов до

термической обработки на приборе Бринелля.2. Определить по справочным данным режимы термической

обработки стали 40 и У8 (отжига, нормализации и закалки).3. Загрузить образцы в печь и после заданной выдержки

последовательно, по одному, охладить в воде, масле и на воздухе.Отжигу образцы подвергаются до лабораторного занятия.

4. Измерить твердость образцов после термической обработки наприборе Роквелла.

Содержание отчета. В отчет необходимо включить описание видовтермообработки и их практическое применение, участок диаграммысостояния железо — цементит для сталей и указать на нем области

34

оптимальных температур нагрева для отжига, нормализации и закалки;протокол результатов испытаний (сводная таблица); график изменениятвердости сталей 40 и У8 в зависимости от вида термообработки (скоростиохлаждения). В выводах указать, как влияют скорость охлаждения итемпература закалки на твердость сталей 40 и У8, когда и почему получаетсянаивысшая твердость.

35

Лабораторная работа 10 – Изучение микроструктур термическиобработанных углеродистых сталей

Задачи работы: изучить особенности составляющих микроструктуруглеродистых сталей, полученных при различных режимах термическойобработки; установить зависимость между микроструктурой термическиобработанной стали и ее механическими свойствами.

Теоретические сведения. Доэвтектоидная углеродистая сталь, нагретая,выше Ас3 на 30—50°С и закаленная в воде со скоростью большекритической, как указывалось выше, даст перенасыщенный твердый растворуглерода в α-железе— мартенсит (рисунок 23, а)

Рисунок 23− Микроструктура стали 40 после термической обработки:а — после закалки в воду; б — после неполной закалки; в — после закалки вмасло; г — после закалки и высокого отпуска. Травление 4%-ным раствором

НNO3 , в спирте, х 500.

Мартенсит имеет игольчатое строение с расположением иголок подуглом 60 или 120° друг к другу. Такое строение получается в результатесдвигов или смещений некоторых объемов металла по определеннымплоскостям с одновременным превращением кристаллической решеткижелеза из гранецентрированной в объемноцентрированную. Сдвиги атомов

металла при резком охлаждении вызываются большими напряжениями вструктуре, возникающими при резком перепаде температур при закалке.

Правильно нагретая перед закалкой сталь имеет после закалкиструктуру-мелкоигольчатого мартенсита. Перегретая закаленная сталь даетболее крупные иглы мартенсита с несколько пониженной твердостью иповышенной хрупкостью. При неполной закалке доэвтектоидных сталей(температуре нагрева выше Ас1 но ниже Ас3 получается структура, состоящаяиз мартенсита и феррита (рисунок 23, б), последний на шлифе выглядит ввиде светлых пятен на игольчатом фоне мартенсита. Такая неоднороднаяструктура снижает твердость стали и поэтому неполная закалка неприменяется. Перегрев и неполную закалку доэвтектоидной стали можноисправить повторной закалкой с температурой нагрева немного выше Ас3.Если посмотреть шлиф крупной детали, закаленной в воде, то на ееповерхности можно увидеть мартенсит. В глубь от поверхности ксердцевине, где скорость охлаждения при закалке вследствие ограниченнойтеплопроводности стали или ее недостаточной прокаливаемости быламеньше критической, на фоне мартенситных игл будет видна структуратроостита, состоящая из мелкодисперсной смеси феррита с цементитом.Троостит на шлифе выглядит темными включениями между игламимартенсита (рисунок 23, в ) . Подобная структура получается у углеродистыхсталей при закалке в масле, которое медленнее охлаждает детали, чем вода.После неполной закалки заэвтектоидной стали структура состоит измартенсита, остаточного аустенита и вторичного цементита (рисунок 24, а).

Вторичный цементит в этой структуре способствует повышениютвердости, но делает сталь более хрупкой. Сталь после закалки имеетвысокую напряженность и хрупкость. Чтобы снизить напряженность ихрупкость после закалки, стальные детали подвергают низкому, среднему иливысокому отпуску. При низком отпуске среднеуглеродистых сталей(температура нагрева 150—200°С) получается отпущенный кубическиймартенсит. В высокоуглеродистой стали после низкого отпуска, кромеотпущенного мартенсита, имеются также включения остаточного аустенита.Светлые иглы мартенсита закалки в отпущенном мартенсите становятсятемными, так как он сильнее протравливается. Остаточный аустенитобнаруживается на шлифе в виде светлых полей между темными игламимартенсита.

При среднем отпуске (температура нагрева 350—500°С) образуетсямелкодисперсная смесь феррита с цементитом, называемая трооститомотпуска. Частицы этой смеси настолько мелки, что почти неразличимы подоптическим микроскопом. Они еще сохраняют ориентацию по мартенситу.Троостит отпуска травится сильнее мартенсита и под микроскопом выглядитболее темным.

При высоком отпуске (температура нагрева 500— 650°С) смесьферрита с цементитом становится крупнее, чем у троостита. При такомотпуске происходит частичная сфероидизация карбидных пластинок иполучается структура сорбита отпуска (рисунок 23, г), который намикрошлифе более светлый, чем троостит, так как он менее напряжен ипоэтому слабее протравливается. Сорбит отпуска, как и троостит отпуска,нередко сохраняет мартенситную ориентировку. Следует отметить, что в

37

отличие от сорбита и троостита закалки, имеющих пластинчатое строение,троостит и сорбит отпуска имеют зернистое строение.

Рисунок 24 – Микроструктура стали У12:а−после закалки; б−после отжига на зернистый перлит; Травление 4%-ным

раствором НNO3 , в спирте, х 500.

Если проводить неполный отжиг (нагрев немного выше Ас 1 ; или еслипроводить несколько последовательных нагревов и охлаждений выше и нижелинии Ас 1 , ТО процесс сфероидизации цементита пойдет более интенсивнои получится структура зернистого перлита (рисунок 24, б). На фоне ферритабудут хорошо видны зерна сфероидизированного цементита. Такая структураособенно важна для инструментальных сталей, так как она обеспечиваетхорошую обрабатываемость режущим инструментом и малую склонность кперегреву при закалке.

Порядок выполнения работы.1. Изучить на металломикроскопе и зарисовать микроструктуры:

стали 40, подвергнутой полной и неполной закалке в воде; стали У12,закаленной в воде; стали 40, подвергнутой полной закалке и низкому,среднему и высокому отпуску; стали У8, отожженной на зернистый перлит.

2. Дать описание микроструктур.Содержание отчета. В отчет необходимо включить схемы

микроструктур термически обработанных сталей; их структурныесоставляющие, примерную предшествующую термическую обработку,.механические свойства. В выводах указать, в чем состоит различие вструктуре и свойствах мартенсита, троостита, сорбита, полученных призакалке и отпуске.

38

Лабораторная работа 12 – Изучение микроструктуры и свойствчугунов

Задачи работы: получить навыки определения по микроструктуревида чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный), оценить приближенноего механические свойства и установить область применения.

Теоретические сведения. По химическому составу чугуны отличаютсяот сталей более высоким содержанием углерода (более 2 ,14%) ипостоянных примесей (S, Р, Si, Мп). Чугун обладает более низкимисвойствами, чем сталь. Однако его хорошее технологические свойства(литейные, обрабатываемость, антифрикционные свойства и т.д.) делаютчугун пригодными для изготовления различных деталейсельскохозяйственных машин.

В зависимости от состояния углерода чугуны подразделяют на двегруппы: чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии ввиде цементита (Fe3C), и чугуны, в которых весь углерод или большая частьего находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относятся белые чугуны. Их структура зависит отсодержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состоянияжелезо — цементит. По структуре белые чугуны делятся на следующие.

Доэвтектические (2 ,14—4,3%С). Структура включает трисоставляющие — перлит, ледебурит, вторичный цементит (рисунок 29, а).Перлит наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, цементит —светлых полос, а ледебурит — в виде участков с темными точками. Каждыйтакой участок представляет собой смесь мелких округлых или вытянутыхтемных зерен перлита, равномерно расположенных в белой цементитнойоснове.

Эвтектический чугун (4,3%С) состоит из ледебурита,представляющего собой равномерною механическую смесь перлита сцементитом (рисунок 29, б).

Заэвтектический чугун (4,3—6,67% С) характеризуется двумяструктурными составляющими — первичным цементитом и ледебуритом(рисунок 29,в) . Получению такой структуры в белых чугуяах способствуетповышенное содержание в них марганца, пониженное — кремния исравнительно быстрое охлаждение.

Характерная особенность структуры белого чугуна — наличие в нейвесьма твердых и малопластичных составляющих: цементита и ледебурита.Поэтому белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются обработкережущим: инструментом. По указанным причинам такие чугуны вмашиностроении используются редко (дробильные шары, звездочки дляочистки литья), они обычно идут на передел в сталь и для получения ковкогочугуна.

Ко второй группе чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкиечугуны. Структура их представляет собой: металлическую основу,пронизанную графитными включениями. От структуры металлическойосновы, которая выявляется после травления шлифа (феррит-перлитная,перлитная или ферритная), зависят такие свойства, как предел прочности присжатии, твердость, износостойкость. Такие свойства чугуна, как

пластичность, сопротивление растяжению, износ, а также износостойкость,зависят главным образом от формы, размеров, количества и характерарасположения графитовых включений.

Рисунок 29 − Микроструктура белых чугунова- доэвтектический; б- эвтектический; в- заэвтектический

Прочность графита по сравнению с металлической основой ничтожна,его присутствие равносильно надрезу — пустоте. Поэтому, чем равномернеерасположены графитовые включения в металлической основе, чем онимельче и их форма ближе к округлой, тем меньше будет разобщенаметаллическая основа чугуна и прочностные свойства будут выше. Всоответствии с отмеченным, качество чугунов оценивается не толькоструктурой металлической основы, но и формой, размером и характеромраспределения в ней графитовых включений. Однако наличие графита,снижая механические свойства чугуна, повышает его износостойкость испособность поглощать вибрацию.

В чутунах встречаются три формы графитовых включений:пластинчатая (рисунок 30, а, б), хлопьевидная (рисунок 30, в) и шаровидная(рисунок 30,г).

40

Пластинчатая (лепестковая) форма графита свойственна серымчугунам (см. в соответствии с рисунком 30, а, б). Такую форму можнорассматривать, как трещины (надрезы), создающие концентрациюнапряжений в перлитной, феррито-перлитной или ферритной металлическойоснове (в соответствии с рисунком 30, д, е, ж). Пластинчатая форма графитарезко снижает прочностные свойства чугуна. Получению серых чугуновспособствует медленное охлаждение отливок и наличие в них повышенногосодержания кремния и пониженного марганца. Из таких чугунов делаютблоки цилиндров, картеры, маховики и др.

Повышение механических свойств серых чугунов достигаетсямодифицированием, т. е. воздействием на процесс графитизации введением вжидкий расплав чугуна особых добавок (модификаторов). Модификаторамиявляются: ферросилиций, силикокальций, вторичный алюминий. Будучивведенными в жидкий чугун перед его разливкой, модификаторыспособствуют раскислению, образуя в нем тугоплавкие окислы тина Si02,СаО, которые, находясь во взвешенном состоянии, служат дополнительнымицентрами графитизации, что способствует размельчению графита (всоответствии с рисунком 30, б).

В автотракторостроении и сельскохозяйственном машиностроениичасто применяют следующие марки серых чугунов: СЧ18-36, СЧ21-40 (немодифицированные) и СЧ 28-48, СЧ32-52 (модифицированные).

Шаровидная форма графита свойственна в ы с о к о п р о ч н о м уч у г у н у . Она получается двойным модифицированием серого чугуна:добавкой в жидкий чугун незадолго перед заливкой двух модификаторов:ферросилиция, для создания большого количества центров графитизации, имагния или церия, для получения шаровидной формы графита (рисунок 30,в) . Структура высокопрочного чугуна состоит из перлитной или перлито-ферритной металлической основы (рисунок 30, з), в которой располагаютсяграфитовые включения в форме шаров. Такая форма графита не нарушаетсплошности металлической основы, и это способствует повышениюпрочности и пластичности.

Высокопрочный чугун — хороший заменитель литой стали иприменяется для изготовления коленчатых и распределительных валов, гильзцилиндров автомобильных двигателей. В сельскохозяйственноммашиностроении часто применяют высокопрочные чугуны марок ВЧ50- 2;ВЧ45-5.

Хлопьевидная форма графита (рисунок 30, г) имеет место в к о в к о мч у г у н е , который получается специальным графитизирующим отжигом(томлением) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,2 до 3 ,2% С.Такая форма графита способствует повышению пластических свойств —чугун лучше переносит удары, обладает достаточной вязкостью.

В зависимости от вида отжига белого чугуна металлическая основаможет иметь структуры: при одностадийном отжиге — феррито- перлитную(рисунок 30, и) или перлитную, при двухстадийном — ферритную (рисунок30, к) .

41

а — пластинчатая; б — пластинчатая размельченная; в —шаровидная; г−хлопьевидная; д−серый чугун перлитный; е — серый чугунферрито-перлитный; ж — серый чугун ферритный;з – высокопрочныйчугун феррито-перлитный; и − ковкий чугун феррито-перлитный; к —

ковкий чугун ферритный.

Наиболее часто применяют ферритный ковкий чугун; онхарактеризуется высокой (для чугунов) пластичностью.

В автотракторном и сельскохозяйственном машиностроенииприменяют ковкие чугуны марок КЧ37-12; КЧ35-10; КЧ50-4. Из нихизготавливают картеры редукторов, рулевых механизмов, ступицы колес,педали и др.

Порядок выполнения работы. Для выполнения лабораторной работынеобходимо иметь коллекцию микрошлифов, состоящую из нетравленых

Рисунок 30. Формы графита и микроструктура чугунов:

42

шлифов серого чугуна (немодифицированного и модифицированного),протравленных шлифов белого, серого, высокопрочного и ковкого чугунов.

1. Изучить под микроскопом микрошлифы и определить структурныесоставляющие.

2. По структурным составляющим определить наименование чугуна(белый, серый, ковкий, высокопрочный).

3. Определить увеличение микроскопа.4. Зарисовать схемы микроструктур.Содержание отчета. В отчет необходимо включить участок диаграммы

состояния железо — цементит для чугунов, проанализировать изменениеструктуры с увеличением содержания углерода. Описать виды чугунов, ихструктуру, свойства и применение. Напротив зарисованных схеммикроструктур указать: структурные составляющие, наименование чугуна,условия и метод получения, механические свойства (НВ, σв, δ, используясправочный материал). Объяснить влияние формы графита на механическиесвойства чугунов.

Меры безопасности1. К лабораторной работе допускаются студенты, изучившие методическое

указание.2. При выполнени лабораторной работы необходимо соблюдать меры

безопасности согласно инструкции.

43

Список литературы

Основная 1 Материаловедение и технология металлов:учебник для студ.вузов,

обучающихся по машиностроит. спец./под ред. Г. Н. Фетисова. Изд. 5- е - М. :Высш. шк.,2007.-862 с.

2 Шишкин А.В. Материаловедение. -Новосибирск.- 2004.-506с. .3 Адаскин А. М. Материаловедение (металлообработка):учебник/А М.

Адаскин, В. М. Зуев.-4-е изд.,-М.:Академия,2006.-240 с.4 Пейсахов А. М. Материаловедение и технология конструкционных

материалов/А. М.Пейсахов, А. М. Кучер.-3-е изд.-М.:Изд-во Михайлова В.А.,2005.-410 с.

Дополнительная5 Оськин В. А. Материаловедение. Технология конструкционных

материалов:учебник для студ. вузов/В. А. Оськин, В. В. Евсиков. Кн. 1.-2008.-447 с.

6 Материаловедение и технология металлов:учебник для студ.вузов,обучающихся по машиностроит. спец./под ред. Г. Н. Фетисова.Изд. 6-е, доп.-М.:Высш. шк.,2008.-877 с.

7 Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры,керамика, композиты: справочник; 2007.-319 с.

8 АдаскинА.М. Материаловедение (металлообработка):учебник/А.М.Адаскин В.М.Зуев.-3-е изд., стер.-М.:Академия,2004.-240с.

9 Материаловедение./ под ред.В. Т. Батиенкова.-М.:ИНФРА-М, 2008.-150с.

44

45