Лабораторная работа: Лабараторная работа номер 1

Лабораторная работа Н 1
МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ
НЕЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы — приобретение практических навыков
определения микроструктуры углеродистых незакаленных сталей
с помощью микроскопического анализа и определение
ориентировочного состава и марок сталей.
Под структурой металлов и сплавов понимается их
строение, выявляемое и изучаемое различными современными
методами исследования и, в частности, методом
микроскопического анализа.
Микроскопическим анализом (или микроанализом)
называется исследование строения металлов и сплавов с
помощью специальных микроскопов (оптических или
электронных) при увеличении от 50 до 100000 раз на
специально приготовленных объектах — микрошлифах, репликах
(оттисках) или тонких фольгах. В настоящей работе
рассматривается только микроскопический анализ с помощью
оптического металлографического микроскопа, дающего
увеличение от 50 до 1800 раз. Наблюдаемое при
микроанализе строение металлов называется микроструктурой.
Строение металла, видимое невооруженным глазом или при
небольшом увеличении (до 30 раз), называется
макроструктурой. Кроме макро- и микроструктуры различают
также субмикроструктуру, т.е. внутреннее (блочное или
мозаичное) строение кристаллов.
Задачи микроанализа

Микроскопический анализ впервые применил в 1831 г.
выдающийся русский металлург П.П. Аносов для исследования
микроструктуры стали.
Микроскопический анализ позволяет установить:
- форму и размеры кристаллических зерен, иэ которых
состоит сплав;

- характер и относительное количество структурных
составляющих ;
- изменения внутреннего строения сплава, происходящие под
влиянием различных режимов термической и химико-термической
обработки, а также после внешнего механического воздействия
на сплав (обработки давлением);
- характер, размеры и расположение неметаллических
включений (сульфидов, оксидов и др.);
- наличие микродефектов (трещин, пор) и их строение
(форму);
- нарушения в строении (структуре), связанные со
структурной и химической неоднородностью, созданные литьем,
ковкой, прокаткой, сваркой, термической и химико-термической
обработкой.
Микроскопическое исследование имеет большое значение и
потому, что механические свойства металлов в большой степени
зависят от их микроструктуры.

Техника микроскопического анализа

Для проведения микроанализа необходимо вырезать из
исследуемого материала образец размером 1...3 см3 и
подготовить на одной из его поверхностей микрошлиф путем
шлифования, полирования и травления.
По полированной поверхности образца без травления
нельзя судить о строении сплава, но можно исследовать
неметаллические включения, которые часто окрашены в различные
цвета и резко выделяются на светлом фоне полированной
поверхности.
Для выявления микроструктуры микрошлифы подвергают
травлению, которое обеспечивает:
- большую скорость растворения границ металлического
зерна и его пограничных слоев, благодаря чему границы зерен
выявляются в виде темных линий;
- различие в скорости растворения в травителе различных
фаз, структурных составляющих и даже однофазных зерен
вследствие их анизотропии и различной ориентации
относительно плоскости микрошлифа.
* Структурные составляющие — это части структуры,
имеющие при рассмотрении под микроскопом одинаковое строение
с присущими характерными особенностями. Например,
доэвтектоидная углеродистая сталь о отожженном состоянии
имеет две структурные составляющие: феррит и перлит
(см.ниже).

- 5 -

- различие в окрашиваемости различных фаз и структурных состав-
ляющих.

Протравленный и высушенный микрошлиф устанавливают на
предметный столик металлографического микроскопа и рассматривают
микроструктуру в отраженном свете; при необходимости микроструктуру
фотографируют.

Микроскоп МИМ-7 (МИМ-6)

На рис. 1.1 приведена принципиальная оптическая схема металло-
графического микроскопа.

Рис.1.1. Принципиальная оптическая схема
металлографического микроскопа

Лучи света от электрической лампы 1 проходят через оптическую
систему 2 и попадают на полупрозрачную пластину 3, расположенную под
углом 45° к оси объектива 4. Лучи света, падающие на пластину 3, частично
проходят через нее, а частично отражаются, проходят через объектив 4 и
освещают микрошлиф 6, установленный на предметном столике 5.
Отразившись от микрошлифа, лучи вновь проходят через объектив 4,
пластину 3. преломляются призмой 7 и через окуляр 8 попадают, в глаз
наблюдателя. Меняя объективы и окуляры, можно изменять увеличение
микроскопа.

Установка на фокус производится с помощью винта наводки и
микрометрического винта.

Микроструктура углеродистых сталей

Сталью называют сплавы железа с углеродом при содержании
углерода до 2,14%. Стали углеродистые промышленного производства —
сложные по химическому составу сплавы. Кроме углерода в их состав
входит ряд примесей.
В настоящей работе студенты знакомятся с микроструктурой
углеродистых незакаленных (т.е. медленно охлажденных) сталей,
которая определяется в своей основе левой "стальной" частью
диаграммы состояния железо — цементит (рис.1.2) и зависит от
содержания углерода.

Рис.1.2. Диаграмма железо — цементит

При охлаждении большинства сталей кристаллизация жидкой
фазы заканчивается образованием аустенита.
Аустенит (область NJESG на диаграмме) — твердый раствор
углерода в У-железе, с максимальной растворимостью углерода
2,14% при температуре 1147 С (точка Е). Со снижением температуры
растворимость углерода в С-железе уменьшается (линия ES) и
при температуре 727°С

составляет 0,8% (точка S). Аустенит обозначают А или Fey(С); он имеет
твердость НВ = 1600 ... 2000 МПа и 6 » 50%. При дальнейшем охлаждении:

- доэвтектоидных сталей «0.8% углерода) от линии GS до GPS про-
исходит превращение аустенита в феррит;

- заэвтектоидных сталей 00,8% и <2.14% углерода) от линии ES до SK
из аустенита выделяется цементит;
- всех сталей ниже линии PSK происходит превращение аустенита в
перлит.

Феррит (обозначают Ф или Fe^(C) — твердый раствор углерода в а-
железе. Феррит может быть высокотемпературный, с максимальной

растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499° С, и низкотемпера-
турный, с максимальной растворимостью углерода 0,02% при температуре

727° С и растворимостью менее 0,01% при температуре ниже 600° С. Фер-
рит имеет хорошие пластические свойства (6 = 40%), но невысокие

прочность и твердость (НВ ° 800 ... 1000 МПа).-

Цементит (обозначают Ц) — химическое соединение железа с углеро-
дом (карбид железа - РезО с содержанием углерода « 6,67% (6, 69%).Он

имеет сложную ромбическую решетку. Последними исследованиями при
нагреве лазерным лучом установлено, что температура его плавления
равна 1260° С. Цементит обладает высокой твердостью (НВ » 8000 МПа),
хрупок и выступает в сплавах как отдельная фаза.

Цементит может быть первичный (Щ), кристаллизующийся из распла-
ва; вторичный (Цп), выделяющийся из аустенита; третичный (Цщ),

выделяющийся из феррита.
Перлит (обозначают П) — механическая смесь (эвтектоид) феррита с
цементитом, образующаяся при распаде астенита с содержанием углерода
0,8% (точно 0,81%) при температуре 727°С. Структура перлита

представляет собой эвтектоидную смесь тонких пластинок феррита и це-
ментита (Ф + Ц) или округлых зерен цементита в ферритной основе.

Твердость перлита близка к твердости аустенита (НВ = 2000 МПа), а S =
15%.
Микроструктура сталей с очень низким содержанием углерода состоит
из зерен феррита (рис.1.3). Зерна феррита после травления остаются
светлыми. Границы между зернами растравливаются в узкие желобки и
выглядят на шлифе в виде темных линий.
Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из зерен только
перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и
цементита.

При небольших увеличениях зерна перлита окрашены в темные тона -
серый или серо-бурый, а пластинки цементита и феррита в них неразличимы.
При средних и больших увеличениях зерна перлита после травления
кажутся состоящими из светлых и темных полос (рис.1.4). Наличие этих
полос объясняется тем, что пластинки феррита растворяются в кислоте
быстрее пластинок цементита, вследствие чего получается микрорельеф.
Свет, падающий на поверхность микрошлифа, дает тени от выступающих
пластинок цементита, отбрасываемые на углубленные пластинки феррита.

Рис.1.3. Микроструктура сталей с очень низким содержанием углерода
(порядка нескольких сотых долей процента) - зерна феррита

Рис.1.4. Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) - перлит

Микроструктура доэвтектоидных сталей, содержащих углерод в коли-
честве от 0.02 до 0.8%, состоит из феррита (0,006% С) и перлита (0,8% С). С

увеличением содержания углерода в стали в ее структуре увеличивается
количество перлита и соответственно уменьшается количество феррита. На
рис 1.5 показана микроструктура стали с 0,15% С. Светлые зерна— феррит,
темные— перлит.
Микроструктура заэвтектоидных сталей (0,8 ... 2,14% С) состоит из
перлита и вторичного цементита (рис.1.6). Вторичный цементит различим в
виде белой сетки, окружающей зерна перлита. Перлит и цементит содержат
строго определенное количество углерода - 0,8 и 6.67% соответственно.
Определив количество той или иной структурной составляющее в структуре
отожженной углеродистой стали, можно легко определить приблизительное
содержание углерода в стали.

Рис.1.5. Микроструктура доэвтектоидной стали,
содержащей 0,15% С — феррит и перлит

Пусть площадь, занятая в микроструктуре доэвтектоидной стали
перлитом, составляет 50%, а остальные 50% — ферритом, содержание
углерода в котором настолько мало. что им можно пренебречь. Составим
пропорцию: при 100% перлита содержание углерода в стали равно 0,8%, при
50% перлита содержание углерода в стали (С) равно :
0,8-50 С ° ———— ° 0,4%.
100

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали
необходимо учитывать содержание углерода не только в перлите, но и

- 10 -

в цементите. Содержание углерода в заэвтектоидной стали подсчитывается по
формуле

0,8х + 6.67.(100 - х) С = ————————
—————— . % ,
100

где х — доля площади, занятая в структуре перлитом, %: (100-х) — доля площади,
занятая в структуре цементитом. %.

Рис.1.6. Микроструктура заэвтектоидной стали,
содержащей 1% С,— перлит и вторичный цементит
Феррит — очень пластичная, но малопрочная фаза, цементит очень тверд и
статически прочен, но практически непластичен. Поэтому увеличение
содержания углерода в стали (или, что то же, увеличение содержания перлита и
цементита) приводит к повышению прочности и твердости стали и уменьшению
её пластичности.
В зависимости от назначения предусмотрено изготовление и поставка
углеродистой стали по нескольким государственным стандартам — ГОСТ 380-88.
ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1435-90 и др.
Кроме того, в зависимости от вида продукции и способа ее изготовления
предусмотрены государственные стандарты и технические условия на отдельные
виды продукции.
По ГОСТ 380-88 изготавливают двадцать марок стали углеродистой
обыкновенного качества, имеющих широкое применение в машиностроении,
строительстве и т.д.

- 11 -

Все марки стали, изготовляемые по настоящему стандарту, имеют буквенно-
цифровое обозначение. Первые две буквы "Ст" обозначают сталь, цифры 0; 1;... 6

— условный номер марки,буквы кп. пс и сп — способ раскисления ( поведение
стали при разливке и кристаллизации) и буква Г — повышенное содержание
марганца. Для большинства марок (кроме СтО) массовая доля серы не более
0,05%, фосфора — не более О,04%.
Поведение стали при разливке и кристаллизации (кп — кипящая, пс — полу
спокойная и сп — спокойная) связано со степенью удаления из стали кислорода
(степенью раскисления). При разливке малораскис-ленной стали в изложнице
происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — сталь как бы кипит
(кп); чем полнее удален из стали кислород, тем спокойнее (пс и сп) проходит
процесс кристаллизации.
Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050-88) во всех
обозначениях марок содержат цифры, указывающие среднее содержание углерода
в сотых долях процента (табл.1.1), буквы кп и пс — степень раскисления. Если
после цифры буквы отсутствуют, то эта сталь является спокойной.
В сталях всех марок содержание серы допускается не более 0,04%, а фосфора
— не более 0,035%.
Углеродистую инструментальную сталь (ГОСТ 1435-90) применяют для
изготовления режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания
и не подвергаемого существенному разогреву в процессе эксплуатации.
Все инструментальные углеродистые стали относятся к качественным
(S<0.028%, P<0,03%) или высококачественным (S<0,018%, Р<0,025 .более чистые
по примесям других элементов).
В обозначениях марок (У7, У8, У10А, У8ГА и др.) углеродистой
инструментальной стали буквы и цифры обозначают: У — углеродистая, цифры
— среднее содержание углерода в десятых долях процента; если в стали
содержание марганца превышает обычное (0.17...0,33%), то после цифры ставят
букву Г (Мп = 0,33...О,58%). если сталь высококачественная, то в конце марки
ставят букву А (табл.1.2).

- 12 -

Таблица 1.1
Примеры маркировки, химического состава и механических свойств стали

углеродистой качественной конструкционной

1 1 Массовая доля элементов, % Механические 1
(Марка!
1 1————————i————————•——————————
——'

свойства 1 )———
——————1

(стали! 1 Сг не бт. 6,1 1
С 1 Mn S1 более МПа MnalBs.Xl
1——
—
105кп
< 0,06 1 < 0,40 < 0.03 0.10 - 3001 301

108 0,05... 0.121 0,35... 0,65 0,17... 0.37 0.10 196 3201 331
110 0,07... 0.4 1 "- 0.15 1205 3301 31I
115 0,12...0.191 -"- 0.25 1225 3701 271
120 0.17...0.241 -"- -"- 1245 4101 251
125 0.22...0,301 0.50...0.801 -"- 1275 4501 231
130 0,27... 0.351 -"- -"- 1295 4901 211
135 0,32...0.401 -"- -"- 1315 5301 201
140 0,37...0,451 -"- -"- 1335 5701 191
145 0.42...0,501 "- -"- 1355 6001 161
150 0.47...0.551 » ^ -"- 1375 6301 141
155 0,52... 0,601 -"- -"- 1380 6501 131
160 0,57... 0.651
i

„и^ -"- 1400 ' 6801 121

Таблица 1.2 Примеры марок углеродистой инструментальной
стали

1 Массовая доля элементов. %

1 S 1 P
1——————Ч

1 стали 1 1
С

1 1 1 Si 1 Mn

1 не
более-
——1———i———1———
————,

Группа
качества

У8
10,75...
У8Г Ю.
ВО... У8А
Ю, 75... 1
У8ГАЮ.80..
.
У13
11,26...
У13АИ.26..
.

0,841
0,901
0,841 1
0,9010.
1.341
1,341
17...
0.
Ю,17...
10,33...
Ю.17... 1
3310,33...
Ю.17...
Ю.17...
1
0,3310,02810,0301
Качественная 1
0.5810,02810,0301
Качественная 1

0,3310,01810.0251 Высоко-
1 1 1 1 качественная 1

0,5810.01810,0251ВЫСОКО-1
1 1 качественная
0.3310.02810,0301
Качественная
0.3310,01810,0251Высоко-1
1 1 качественная

- 13 -

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы каждому студенту предоставляется микроскоп
МИМ-7 (или МИМ-6) и набор шлифов углеродистых незакаленных сталей с
различным содержанием углерода.
Необходимо:
1) просмотреть под микроскопом все шлифы набора, зарисовать их
микроструктуру и стрелками указать на каждой зарисовке структурные
составляющие;
2) определить количество структурных составляющих в образцах,
подсчитать содержание углерода и установить марку стали каждого образца;
3) для сталей с содержанием углерода <0,8% построить график
зависимости механических свойств от содержания в них углерода;
4) ответить на все пункты бланка отчета.
ЛИТЕРАТУРА

1. Строение и свойства конструкционных материалов/Под ред.
В.М.Качалова. - М.: Изд-во МЭИ. 1990. - 96 с.
2. Конструкционные материалы в энергетике/Под ред. В.М.Качалова. - М.:
Изд-во МЭИ, 1992. - 102 С.