Базалеева_Наумова_Металлография_часть 2 (Базалеева Наумова Металлография - часть 2)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаК.О. Базалеева, Е.А. НаумоваЛабораторные работыпо курсу «Металлография»Часть IIМетодические указания1УДК 669ББК 34.3Б17Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ruпо адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1367.htmlФакультет «Машиностроительные технологии»Кафедра «Материаловедение»Рекомендовано Редакционно-издательским советомМГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указанийБазалеева, К. О.Б17Лабораторные работы по курсу «Металлография». Часть II :методические указания / К.

О. Базалеева, Е. А. Наумова. —Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. —123, [5] с. : ил.ISBN 978-5-7038-4303-1Изложена методика выполнения лабораторных работ по курсу«Металлография». Описаны основные структуры углеродистых илегированных сталей, чугунов, а также сплавов цветных металлов:алюминия, меди, титана. Рассмотрено влияние легирования и термической обработки на структуру и свойства этих сплавов.Данные методические указания предназначены для студентов2-го курса, обучающихся по специальности «Материаловедение вмашиностроении».УДК 669ББК 34.3ISBN 978-5-7038-4303-12© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015© Оформление.

ИздательствоМГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015ПредисловиеОсновной задачей материаловедения является создание новыхматериалов с оптимальным уровнем свойств. В свою очередьпоиск сплавов нового состава и технологий формирования ихструктуры опирается на взаимосвязь между строением объекта иего свойствами. Металлографический анализ является неотъемлемой частью структурного исследования металлов и сплавов.Методические указания к лабораторным работам предназначены для ознакомления студентов 2-го курса, обучающихся по специальности «Материаловедение в машиностроении», с основамиметаллографического метода исследования материалов, а также сосновными принципами формирования структур сплавов различного состава.Методические указания по данному курсу состоят из двух частей.

Первая часть включает в себя работы, направленные на приобретение общих навыков металлографического анализа: приготовления объектов исследования, работы на оптическом микроскопе, определения фазовых и структурных составляющих сплава,количественной металлографии. Во второй части рассмотреныпринципы формирования структуры в широко распространенныхпромышленных сплавах: сталях, чугунах, сплавах на основе Al,Cu, Ti.Выполнение данного цикла лабораторных работ позволит студентам использовать металлографический анализ при выполнениинаучно-исследовательской работы, получить знания о типичныхструктурах сплавов различного состава.3Лабораторная работа № 1МИКРОСТРУКТУРА ОТОЖЖЕННЫХУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙЦель работы1. Ознакомиться с типичными структурами углеродистых сталей.2.

Закрепить навыки определения элементного состава сплавапо количественному соотношению структурных составляющих напримере углеродистых сталей с помощью диаграммы состояния.Теоретическая частьНа рис. 1.1 представлена метастабильная диаграмма фазовогоравновесия Fe — Fe3C. На диаграмме присутствуют четыре твердые фазы: α (феррит),  (аустенит),  (-феррит) и Fe3C (цементит).G и N — точки полиморфных превращений в Fe. Таким образом,α и  — твердые растворы с кристаллической объемно-центрированной (ОЦК) решеткой, а γ — твердый раствор с кристаллической гранецентрированной (ГЦК) решеткой.

СоединениеFe3C — промежуточная фаза внедрения со сложной ромбическойрешеткой и очень узкой областью гомогенности; содержание углерода в ней составляет 6,67 %.К сталям относятся сплавы, в которых не протекает эвтектическое превращение, т. е. с содержанием углерода до 2,06 % (мас.).Рассмотрим процесс формирования структуры в них.По своей структуре эти сплавы можно разделить на четырегруппы (табл. 1.1):• техническое железо (или армко-железо);• доэвтектоидные стали;• эвтектоидная сталь;• заэвтектоидные стали.4Рис. 1.1. Диаграмма состояния Fe — Fe3C:– – – — стабильная диаграмма состояния; ––– — метастабильная диаграммасостоянияТаблица 1.1Фазовый и структурный состав сплавов системы Fe — Fe3CНазвание сплаваТехническое железоДоэвтектоидная стальЭвтектоидная стальЗаэвтектоидная сталь—————*С, % (мас.)Ф.С.* при 20 °СС.С.** при 20 °Сдо 0,006αФ0,006…0,025α + Fe3CФ + ЦIII0,025…0,8α + Fe3CП + Физбыт0,8α + Fe3CП0,8…2,06α + Fe3CП + ЦIIФ.С.

— равновесный фазовый составС.С. — структурный состав**5Из диаграммы Fe — Fe3C видно, что при комнатной температуре практически все рассматриваемые сплавы двухфазны: в равновесии находятся α-твердый раствор и соединение Fe3C. Исключение составляют сплавы с содержанием углерода до0,006 % — они однофазны.Определить количество фазовых составляющих в стали с концентрацией углерода x % можно следующим образом:Q Lx6,67  x 100 %  100 %;LQ6,67  0,006QFe3C xQx  0,006 100 %  100 %.LQ6,67  0,006Из приведенных выражений видно, что с повышением концентрации углерода в сплаве относительное количество цементитавозрастает.

Так как α-твердый раствор обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, а цементит, наоборот, являетсяпрочной, но хрупкой фазой, с повышением концентрации углеродапоказатели прочности сталей возрастают, а показатели пластичности падают. Зависимости механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода показаны на рис.

1.2.Из рисунка видно, что с увеличением концентрации углеродапредел прочности σв и твердость HB растут (σв возрастает до некоторого уровня, далее происходит его падение вследствие высокойхрупкости материала), тогда как относительное удлинениe δ, относительное сужение ψ и ударная вязкость уменьшаются. Кроме того, с повышением концентрации углерода в стали возрастает температура хрупковязкого перехода Т50.Все четыре группы сплавов при охлаждении из жидкого состояния проходят через однофазную γ-область, т. е. независимо отконцентрации углерода в сплаве при температуре эвтектическогоравновесия (1147 °С) все рассматриваемые сплавы находятся в однофазном аустенитном состоянии.

На рис. 1.3 схематически представлена структура аустенита.Известно, что фазовый и структурный составы сплава не совпадают после эвтектической и эвтектоидной реакций. В техническомжелезе не происходит ни одного из этих превращений, следовательно, его структура соответствует фазовому составу, т. е. при6Рис. 1.2. Зависимости характеристик прочности и пластичности от содержания углеродаРис.

1.3. Структура стали в -области7концентрации углерода до 0,006 % — это однофазный α-твердыйраствор, а при большем содержании углерода, кроме α-фазы, в нембудет присутствовать небольшое количество цементита третичного ЦIII (рис. 1.4). Цементит третичный наблюдается на границахферритного зерна, значительно снижая пластичность сплава.Рис. 1.4.

Выделения цементита третичного по границам ферритного зернаКристаллы α-твердого раствора формируются из γ-фазы в процессе полиморфного превращения в интервале температур междулиниями GS и GP (см. рис. 1.1). Выделение цементита третичногоиз феррита связано с уменьшением растворимости углерода в αтвердом растворе с понижением температуры; ЦIII начинает выделяться при пересечении линии переменной растворимости PQ, иего количество возрастает по мере охлаждения сплава.Максимальное количество ЦIII наблюдается в техническом железе с концентрацией углерода 0,025 % (точка Р). В соответствиис правилом обратных отрезков количество ЦIII в этом сплавеPQ0,025  0,006maxQЦIII 100 %  100 %  0,3 %.LQ6,67  0,006Таким образом, количество ЦIII в техническом железе стольмало, что зафиксировать его в структуре практически невозможно.8Во всех остальных группах сплавов (см.

табл. 1.1) при некотором переохлаждении относительно 727 °С идет эвтектоидная реакция:γS  αP + Fe3C.В результате эвтектоидного превращения формируется эвтектоидная смесь, которая в данном случае называется перлитом. Этоназвание связано с перламутровым оттенком данной структуры.Перлит имеет пластинчатую структуру — чередование пластинферрита и цементита. При этом количественное соотношение фазв перлите определяется какQП 6,67  0,8 100 %  88 %;6,67  0,025ПQFe3C0,8  0,025 100 %  12 %.6,67  0,025В эвтектоидной стали (0,8 % С) однофазное аустенитное состояние сохраняется до температуры эвтектоидного равновесия.Далее весь аустенит по эвтектоидной реакции изотермически переходит в перлит.

На рис. 1.5 представлена структура эвтектоидной стали при комнатной температуре.Рис. 1.5. Структура перлита9В доэвтектоидной стали (% С = 0,025...0,8) однофазная -область сохраняется при охлаждении до линии GS (см. рис. 1.1), далее начинается полиморфное превращение: аустенит с ГЦК-решеткой переходит в феррит с ОЦК-решеткой. При этом составкристаллов аустенита меняется по линии GS, а состав кристалловферрита — по линии GP. При температуре эвтектоидного равновесия состав аустенитного твердого раствора достигает 0,8 %, и весьоставшийся аустенит распадается по эвтектоидной реакции наперлитную смесь.

Таким образом, в структуре доэвтектоидныхсталей содержится избыточный феррит, который выделялся междулиниями GS и PS, и перлит, формирующийся в изотермическихусловиях при температуре 727 °С — Т. Содержание углеродав зернах феррита составляет 0,025 %, а в перлите — 0,8 %.Количество феррита избыточного и перлита в сплаве x можнорассчитать по правилу обратных отрезков:QФ Sx0,8  x 100 % 100 %;SP0,8  0,025QП xPx  0,025 100 %  100 %.SP0,8  0,025В доэвтектоидной стали при концентрации углерода, близкой кэвтектоидной (0,8 %), в структуре содержится малое количествоферрита избыточного, и он выделяется в виде сетки по границамбывшего аустенитного зерна (рис. 1.6, а).