Микроструктура углеродистых сталей

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ МИНИСТЕРСТВА НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УФИМСКИЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

 

Стерлитамакский филиал

 

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

К лабораторной работе по материаловедению

«Микроструктуры углеродистых сталей»

 

Уфа 1993

 

Данное руководство предназначено для студентов дневного и вечернего обучения по специальности 1705 и 2103.

Работа посвящена традиционным методам микроанализа. Приведены описание и основная конструктивная схема оптического микроскопа МИМ-7 и типичные микроструктуры доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

 

Составитель Евдокимова А.С., доцент, к.х.н.

 

Рецензент Рысаев У.Ш., доцент, к.х.н.

 

Уфимский нефтяной институт, 1993

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

- изучение и определение структуры отожженных углеродистых сталей методами металлографического анализа;

- изучение устройства металлографического микроскопа МИМ - 7 и приобретение навыков работы на нем;

- освоение технологии изготовления микрошлифов.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задачи микроструктурного анализа

Наименьшее расстояние, на котором человеческий глаз - естес­твенный оптический прибор,- отчетливо видит рассматриваемый пред­мет, равняется 250 мм и называется расстоянием ясного зрения. Для рассмотрения предметов размером менее 0,3 мм человеческий глаз не­обходимо вооружить оптическим прибором, увеличивающим угол зрения. Таким простейшим оптическим приспособлением является лупа. Обычно лупы имеют фокусное расстояние от 10 до 100 мм и, следовательно, увеличение от 2,5 до 25 раз. Для получения больших увеличений при­меняют микроскопы.

Оптические металлографические микроскопы позволяют проводить микроанализ и рассматривать строение металлов при увеличении от 50 до 2000 раз; а электронные - до 100 000 раз и более.

Микроструктурный анализ металлов и сплавов заключается в ис­следовании структуры материалов при увеличениях с помощью микрос­копа от нескольких десятков до 2000. Наблюдаемая структура называ­ется микроструктурой.

Этот метод впервые разработан русским инженером-металлургом Аносовым П. П. в 1831 г. и в дальнейшем усовершенствован англича­нином Сорби.

Микроанализ позволяет решать следующие задачи:

1) значительное увеличение позволяет обнаружить элементы разме­ром не менее 0,2 мкм, что в большинстве случаев достаточно для определения размеров многих фаз, присутствующих в сплавах. Увели­чение микроскопа выбирается в зависимости от структуры. В одних случаях нецелесообразно применять большие увеличения; для других сплавов изучение структуры при большом увеличении является необходимым;

2) на однофазных сплавах можно выявить дислокации, представляю­щие собой особый вил линейных дефектов кристалла;

3) выявлять структуры сплавов в неравновесном состоянии, в ко­тором многие сплавы применяются в технике. Он позволяет выявить структуру мартенсита в закаленных углеродистых сталях;

4) способ обработки сплава сильно влияет на его структуру и свой­ства. Микроанализ позволяет определить, каким образом изготовлен

сплав;

5) позволяет определить, подвергался ли сплав холодной деформа­ции, находился ли он в наклепанном состоянии или был подвергнут последующему отжигу для снятия наклепа;

6) выявить неметаллические включения графита, сульфидов, оксидов и др.;

7) обнаружить мельчайшие пороки металла - наличие неметаллических включений, микротрещин, раковин и т.д.

Задачи макроструктурного анализа

1) Строение металлов (зернистое, дендритное, наличие зон кристал­лизации, трещин, пузырей).

2) Химическая неоднородность (ликвация)

3) Строение после горячей обработки (волокна).

4) Характер разрушений (вязкое, хрупкое).

Теория травления

Любой металл или сплав является поликристаллическим телом, т.е. состоит из большого числа кристаллов или зерен, различно ориентированных. На границе зерен (даже чистейших металлов) обыч­но располагаются различные примеси. Кроме того, граница зерен имеет более искаженное кристаллическое строение, чем тело зерна. Вслед­ствие различного потенциала зерен и их границ в металлах и сплавах образуются микроскопические гальванические пары. Под действием травителя границы зерен, а также структурные составляющие, имеющие более низкий потенциал, будут растворяться быстрее, чем тело зерна или чем структуры, имеющие более высокий потенциал. В результате травления на поверхности шлифа появляется микрорельеф за счет не­одинаковой высоты структурных составляющих. Этот микрорельеф создает сочетание света и тени при рассматривании шлифа в микроскоп. Механические смеси различных структур (эвтектики, эвтектоиды) травятся быстрее, чем однофазные структуры (чистые металлы, твердые растворы), т.к. в первом случае образуется большое количество гальванических пар.

Кроме того, разность потенциалов у различных структур в боль­шинстве случаев больше, чем у одного сплава и его границы.

Микрошлифы сталей травят 3-4% раствором НNО₃ в спирте, пос­ле чего структурно свободные феррит и цементит по сравнению с темным (коричневатым) перлитом выглядят белыми.

Микроструктура углеродистых сталей

На диаграмме состояния железо-углерод (рис 1) сплавы, отно­сящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14%, т.е. левее точки Е. При температуре ниже 727°С все отож­женные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цемен­тита. Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в α-Fe с объёмно-центрированной кубической решеткой. Максимальная раствори­мость углерода в α-Fe составляет около 0,02% (точка Р). Цементит - это карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67%С.

При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Предельная растворимость углерода в γ-Fe – 2,14 %С (т. Е)

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при ма­лых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цемент.

На линии GS из аустенита начинает выделяться избыточный фер­рит, а на линии SE - вторичный цементит. На линии РQ из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727° аустенит состава эвтектоидной точки С (0,8%С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом, причем цементит может быть в виде пластинок или зерен (рис.4 приложения).

Сталь, содержащую 0,8%С, называют эвтектоидной. Стали, содер­жащие менее

0,8%С, называют доэвтектоидными, а более 0,8%С - заэвтектоидными. В доэвтектоидной стали первой структурой диффузионного прев­ращения аустенита при охлаждении являются зерно феррита. Их размер в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскоп феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (рис.1 приложения). По мере увеличения концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен фер­рита убывает (рис.2 приложения) и увеличивается количество перлита.

В сплавах содержащих С 0,5 ÷ 0,7%, зерна феррита располагают­ся по границам зерен другой структурной составляющей - перлита в виде разорванной сетки (рис. 3 приложения).

В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение; темные пластинки, видимые в перлите, пред­ставляют тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками цементита. Форма выделения перлита в доэвтек­тоидной и заэвтектоидной сталях определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц цементита в перлите существенно вли­яет на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пла­стичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость зернистого перлита НВ = 160 ÷ 220, а пластинчатого НВ = 200 ÷ 250. С уменьшением размера цементных частиц твердость и прочность перлита возрастают. Форма цементитных частиц влияет на обрабатывае­мость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием при структуре пластинчатого перлита, а эвтектоидные и заэвтектоидные - зернистого. Возможно выделение вторичного цементи­та в виде сетки по границам зерен перлита (рис.5 приложения). Оно происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухуд­шающей механические свойства, является образование его в виде игл (следствие значительного перегрева).

Итак, можно выделить четыре типа структур сталей. Первый тип структуры - феррит и третичный цементит, наблюдается в малоуглеро­дистых сталях, содержащих до 0,02 %С (т. Р). Такие стали назы­ваются техническим железом (рис. 1 - приложения).

Второй тип структуры - феррит и перлит - наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержит от 0,02 до 0,8%С (т. S). Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ней перлита (рис. 2, 3 приложения)

Третий тип структура – перлит - наблюдается в эвтектоидной стали, содержащей 0,8 %С (рис.4 приложения).

Четвертый тип структуры - вторичный цементит и перлит - наблюдается в заэвтектоидной стали с содержанием от 0,8 до 2,14 %С (т. Е) (рис.5 приложения).

Отличие доэвтектоидных сталей от заэвтектоидных по микрост­руктуре состоит в следующем.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях имеется одна общая для обоих типов структур составляющая - перлит. Отличить при микро­анализе до- и заэвтектоидные стали друг от друга можно только по избыточным выделениям: если в структуре находится избыточный фер­рит, то сталь доэвтектоидная, а если вторичный цементит, то сталь заэвтектоидная.

Имеются три металлографических способа отличить доэвтектоидные стали от заэвтектоидных.

а) При травлении раствором азотной кислоты избыточные феррит и цементит имеют светлый оттенок. Относительное весовое количество избыточного феррита в доэвтектоидных сталях может измениться от 100% (сталь состава точки Р) до 0% (сталь состава точки S).

В то же время количество вторичного цементита в заэвтектоидных сталях может измениться в узких пределах - от 0% (сталь состава точки S) до 20% (сталь состава точки Е).

Таким образом, если в отожженной стали наряду с темные перли­том обнаруживается светлая составляющая, занимающая более 20% всей площади поля шлифа, видимого в микроскоп, то эта светлая составля­ющая является избыточным ферритом, и сталь, следовательно, - доэвтектоидная.

б) Если относительное количество светлой составляющей меньше 20%, или если при микроанализе трудно произвести количественную оценку, то эта светлая составляющая может оказаться как избыточ­ным ферритом, так и вторичным цементитом. В этом случае следует использовать индикаторный травитель - горячий щелочной раствор пикрата натрия, который окрашивает цементит в тёмно-коричневый цвет, оставляя феррит светлым.

в) Если избыточная фаза занимает менее 20% площади шлифа, протравленного азотной кислотой, то при наличии некоторого опыта можно отличить вторичный цементит от избыточного феррита по форме и оттенку выделений.

Сетка из избыточного феррита после отжига составлена из отде­льных компактных частиц, в то время как вторичный цементит на шли­фе вытянется в виде почти непрерывной сетки. Сетка из вторичного цементита выступает над перлитом в виде рельефа, так как твердый цементит после полировки слегка возвышается над более мягким и сильнее сполировывающимся перлитом. Вторичный цементит может вы­деляться из аустенита также в виде изолированных игл, как по гра­ницам, так и внутри колоний перлита. Наконец, цементит выглядит под микроскопом более светлым, по сравнению с ферритом.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

1. Металлографический микроскоп МИМ-7.

2. Коллекция образцов.

3. Альбом фотографий микроструктур углеродистых сталей.

4. Тренажер «Диаграмма Fe - С».

5. 3% раствор НNО₃ в спирте.

6. Абразивные материалы (наждачная бумага, паста ГОИ).

7. Шлифовальный и полировальный станки.

8. Оксида магния и кальция для обезжиривания рабочей поверхности микрошлифов.

9. Дистиллированная вода.

10. Органический растворитель.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: