 |
Принципы классификации углеродистых сталей
|
|
|
|
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ»
ОМСК 2011
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
 |
А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ
СПЛАВОВ»
Утверждено редакционно-издательским советом университета
В качестве методических указаний к лабораторным работам
Для студентов 1-3-го курсов
Омск 2011
УДК 620.22 (076.5)
ББК 34.651 я7
Р95
Материаловедение. Раздел «Микроструктурный анализ железоуглеродистых сплавов»: Методические указания к лабораторным работам / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 21 с.
В методических указаниях представлено описание лабораторных работ, в которых рассмотрены основные характеристики железоуглеродистых сплавов и методы их микроструктурного анализа, приведены классификация, маркировка и применение углеродистых сталей и серых чугунов.
Методические указания предназначены для студентов 1-го, 2-го и 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», и «Технология конструкционных материалов», очной и заочной форм обучения.
Библиогр.: 2 назв. Табл. 7. Рис. 3.
Рецензенты: кандидат техн. наук, доцент А. В. Солдаткин;
доктор техн. наук, профессор А. В. Бородин.
_________________________
ã Омский гос. университет
путей сообщения, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
|
|
| Введение…………………………………………………………….……… | |
| 1. Лабораторная работа № 1. Микроструктурный анализ углеродистых сталей………………………………………………………………………… | |
| 1.1 Общие сведения……………………………………………………...…. | |
| 1.2 Принципы классификации углеродистых сталей ……………………. | |
| 1.3 Принципы маркировки углеродистых сталей ………………………... | |
| 1.4 Порядок выполнения работы ………………………………………….. | |
| 1.5 Содержание отчета …………………………………………………….. | |
| 1.6 Вопросы для самоконтроля ……………………………………………. | |
| 2. Лабораторная работа № 2. Микроструктурный анализ чугунов ……... | |
| 2.1 Общие сведения ………………………………………………………... | |
| 2.2 Порядок выполнения работы ………………………….......................... | |
| 2.3 Содержание отчета ……………………………….……………………. | |
| 2.4. Вопросы для самоконтроля ………………………………………….. | |
| Библиографический список…………………………………..…………... |
ВВЕДЕНИЕ
Железоуглеродистые сплавы получили очень широкое распространение в промышленности, особенно в транспортном машиностроении. Они отличаются высокими технологическими свойствами, доступные по цене и надежностью в эксплуатации.
Наибольшее применение получил сплавы, которые получили название: «сталь» – сплав железа с углеродом, при его содержании не более 2, 0 %. Углерод в стали находится в виде зерен химического соединения с железом Fe3C, которые повышают ее прочность и снижающий пластичность. При высоких температурах сталь хорошо пластически деформируется. Поэтому изделия из нее получают прокаткой, ковкой, штамповкой и другими методами обработки давлением.
Вторая группа железоуглеродистых сплавов получила название: «чугун» – сплав железа с углеродом, при его содержании более 2, 0 %. В промышленности и на железнодорожном транспорте получили распространение детали, изготовленные из серого чугуна, который отличается от стали наличием в структуре графитных включений – микроскопических пор, заполненных свободным углеродом в виде графита. Чугун хорошо обрабатывается резанием на металлорежущих станках, имеет высокие антифрикционные свойства, и отличные литейные свойства. Поэтому все изделия из чугуна получают литьем – заливкой жидкого металла в литейные формы.
|
|
|
Структура (строение) сплава определяет его свойства и, соответственно, применение. Поэтому микроструктурный анализ имеем большое практическое значение при оценке качества сплавов, а также обязательно используется при установлении причин разрушения деталей в эксплуатации.
Лабораторная работа 1
МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Цель работы – изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии; определить по микроструктуре примерное содержание углерода и марку стали.
Общие сведения
Микроструктура – строение металла, видимое при больших увеличениях (более 70-кратного) с помощью металлографического микроскопа, который позволяет рассматривать непрозрачные объекты в отраженных от их поверхности лучах света, и этим он отличается от биологического микроскопа.
Для проведения микроанализа из металла вырезают небольшой образец – микрошлиф, одну плоскость которого, для обеспечения высокой отражательной способности, шлифуют, затем полируют до зеркального состояния. Структура проявляется протравливанием поверхности шлифа каким-либо химическим реактивом (для железоуглеродистых сплавов – 3 – 5 % спиртовым раствором азотной кислоты). Под влиянием этого реактива полированная поверхность зерен феррита и цементита не окрашивается, остается светлой, а их границы растворяются интенсивней до образования углублений, рассеивающих лучи света. Поэтому под микроскопом выглядят темными линиями.
В зависимости от содержания углерода может быть нескольких видов структуры углеродистых сталей после отжига: феррит + перлит, перлит, перлит + цементит вторичный. Механические свойства структурных составляющих представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
|
|
|
Механические свойства структурных составляющих сталей
| Структурная составляющая | Твердость НВ, МПа . 10-1 | Относительное удлинение δ, % | Предел прочности при растяжении σВ. | |
| МПа | кгс/мм2 | |||
| Феррит | 80-90 | 40-50 | ||
| Цементит | 800-900 | - | - | - |
| Перлит (пластинчатый) | 190-230 | 9-12 | ||
| Перлит (зернистый) | 160-190 | 18-25 |
Феррит – однофазная структурная составляющая доэвтектоидных сталей - твердый раствор углерода и примесей в альфа-железе. Растворимость углерода: 0,006 % при 0°С (точка Q) и 0,025 % при 727°С (точка Р), т. е. крайне мала, и феррит можно считать технически чистым железом (железо «армко»). Феррит не травится азотной кислотой и под микроскопом смотрится в виде различных по размеру и ориентировке светлых зерен с хорошо различимыми границами (Рис. 1, а).
Цементит – однофазная структурная составляющая заэвтектоидных сталей, химическое соединение - карбид железа Fe3C. Содержание углерода - 6,67 %. Цементит не травится азотной кислотой и под микроскопом выглядит в виде светлых кристаллов пластинчатой формы (см. рис. 1, в, д).
Перлит – двухфазная составляющая, эвтектоидная смесь феррита и цементита с содержанием углерода 0,765 % (0,8 %). При увеличении в 100-400 раз границы фаз (феррита и цементита) в результате травления шлифа сливаются в единый фон, зерна перлита под микроскопом – темные (см. рис. 1, б). Большое увеличение позволяет наблюдать в перлите отдельные участки феррита и пластины цементита (см. рис. 1, в). Размер пластин цементита влияет на механические свойства перлита, и чем они мельче, тем выше его твердость и прочность. Для увеличения пластичности и снижения твердости специальным отжигом из пластинчатого перлита можно получить перлит зернистый (табл. 1.1).
Количество структурных составляющих в отожженной доэвтектоидной стали в зависимости от содержания в ней углерода, которое определяет ее строение и свойства, приведено в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Количество структурных составляющих в стали
в зависимости от содержания углерода
| Содержание углерода в стали, % | 0,006 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 |
| Количество перлита в структуре, % | 0,0 | ||||
| Количество структурно свободного феррита, % | 0,0 |
|
|
|
Соотношение площадей структурных составляющих доэвтектоидных сталей с достаточной точностью определяет содержание в них углерода. Поэтому, считая, что феррит практически углерод не растворяет (0,006 %), а наличие в структуре только одного перлита соответствует 0,8 %, углерода можно подсчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали, определив с помощью микроскопа количественное соотношение между структурными составляющими по площади шлифа.
Следовательно, содержание углерода, %, в доэвтектоидной стали составляет такую часть от 0,8 %, какую составляет площадь, занятая перлитом от общей площади структуры шлифа в поле зрения окуляра микроскопа:
где П – количество перлита в структуре стали, %.
 |
|
|
|
|
Рис. 1. Микроструктура сталей: а – феррит (´ 300);
б – доэвтектоидная: Ф + П (´ 150); в – эвтектоидная: П (´ 1200);
г – заэвтектоидная: П + ЦII (´ 600)
Подсчитав содержание углерода в стали и изучив ее структуру с помощью микроскопа, пользуясь таблицами стандартов, можно определить (ориентировочно) марку стали и ее свойства, а следовательно, и область применения.
Принципы классификации углеродистых сталей
Углеродистые стали различают:
1) по диаграмме состояний – доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтекто-идные;
2) по структуре феррит + перлит, перлит и перлит + цементит вторичный;
3) по содержанию углерода – низкоуглеродистые (менее 0,3 %), среднеуглеродистые (0,3-0,6 %) и высокоуглеродистые (0,7 % и более);
4) по способу выплавки – выплавленные в конверторах (конверторные), мартеновских и электрических печах (мартеновские и электростали);
5) по способу изготовления изделий – горячекатаные (кованные) и литейные;
6) по содержанию вредных примесей (серы и фосфора) - обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными показателями для их разделения служат нормы содержания вредных примесей;
7) по степени раскисления – спокойные (сп), полуспокойные (пс), кипящие (кп). Кипящие стали содержат не более 0,07 % кремния, дешевы, хорошо поддаются холодной листовой штамповке, но по сравнению со спокойным имеют высокий порог хладноломкости, и их нельзя использовать для ответственных конструкций в условиях Сибири и Севера. Порог хладноломкости - отрицательная температура, при которой металл переходит в хрупкое состояние;
8) по назначению – конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления металлоконструкций, деталей машин и должны обладать высокой конструкционной прочностью (определенным комплексом механических свойств), иметь хорошие технологические свойства. Они обычно содержат не более 0,6-0,7 % углерода и имеют ферритно-перлитную структуру, т. е. являются сталями доэвтектоидными. Инструментальные стали, содержащие более 0,7 % углерода, должны обладать высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, предназначены для изготовления инструментов. Это стали эвтектоидные и заэвтектоидные, их структура - перлит или перлит + цементит вторичный.
|
|
|
|
|
|
